Pórusos polimer monolitok elıállítása sugárzásos polimerizációval

Pórusos polimer monolitok elıállítása sugárzásos polimerizációval

Doktori értekezés

Beiler Barbara MTA Izotópkutató Intézet

Témavezetı: Dr. Sáfrány Ágnes Tudományos fımunkatárs, PhD

Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Kémia Doktori Iskola Iskolavezetı: Dr. Inzelt György Analitikai, kolloid- és környezetkémia, elektrokémia Doktori Program Programvezetı: Dr. Záray Gyula

2010

A TUDOMÁNNYAL VALAMI BAJ VAN: SOHA NEM OLD MEG EGY PROBLÉMÁT ANÉLKÜL, HOGY TÍZ ÚJAT NE KREÁLNA. GEORGE BERNARD SHAW

Köszönetnyilvánítás

Elsıként szeretnék köszönetet mondani témavezetımnek, Dr. Sáfrány Ágnesnek, mert megismertetett a kutatómunka szépségeivel és buktatóival, végtelen türelmével és lelkesedésével kísérte munkám. Köszönöm az inspirációt, és hogy ilyen sokat tanulhattam tıle.

Köszönet illeti Dr. Frantisek Svec-et és Dr. Kovács Józsefet a pórusméret meghatározásért.

Köszönöm Dr. László Krisztinának, Dr. Vincze Árpádnak és Dr. Kovács Józsefnek, hogy az adszorpciós méréseket elvégzték. Munkám során tanácsokkal látottak el, és mindvégig segítették munkám.

Továbbá köszönetemet fejezem ki, Gonter Katalinnak, Dr. Hargittai Péternek és Papp Zoltánnak kísérleti munkámban nyújtott segítségükért, ötleteikért és azért, hogy megkönnyítették a kísérleti munkáimat.

Köszönöm az MTA IKI Sugárhatáskémiai Osztályának, hogy biztosították munkám feltételeit. Hálás vagyok a rengeteg segítségért, a kellemes munkahelyi légkörért.

Tartalomjegyzék

4

Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék.................................................................................................................................................... 4 Rövidítések jegyzéke ............................................................................................................................................. 6 1. Bevezetés ............................................................................................................................................................ 7 2. Irodalmi összefoglaló ........................................................................................................................................ 9 2.1. Sugárkémia ................................................................................................................................................. 9 2.2. Polimerizáció..............................................................................................................................................10 2.2.1. Gyökös polimerizáció és térhálósodás a sugárkémiában ..............................................................12 2.2.2. Sugárzással iniciált polimerizáció és gyökképzıdés ......................................................................14 2.3. Oldószerek sugárkémiája..........................................................................................................................15 2.4. Monolitok ...................................................................................................................................................17 2.4.1. Termikus úton indított gyökös polimerizáció.................................................................................18 2.4.2. Fotoindukált (UV) gyökös polimerizáció ........................................................................................20 2.4.3. Gamma sugárzással indított polimerizáció ....................................................................................21 2.4.4. Egyéb elıállítási módszerek .............................................................................................................22 2.5. A monolitok felhasználási területei ..........................................................................................................24 3. Minták elıállítása, vizsgálati módszerek........................................................................................................31 3.1. Kísérleti anyagok.......................................................................................................................................31 3.2. A minták elıállítása ...................................................................................................................................32 3.3. Vizsgálati módszerek.................................................................................................................................33 3.3.1. A fluxus és az átfolyási sebesség mérése .........................................................................................33 3.3.2. Morfológiai vizsgálatok ....................................................................................................................34 3.3.3. Pórusos tulajdonságok meghatározása ...........................................................................................34 3.3.4. Folyadék kromatográfia...................................................................................................................38 3.3.5. Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (FTIR), diffúz reflektancia (DRIFT) mérése ..........................................................................................................................................................38 4. Mérési eredmények és azok értékelése ...........................................................................................................40 4.1. A monolitok konverziója...........................................................................................................................41 4.2. Az elıállítás körülményeinek hatása a monolitok pórusszerkezetére ...................................................44 4.2.1. A dózis hatása a vázszerkezetre.......................................................................................................44 4.2.2. A dózisteljesítmény hatása a vázszerkezetre ..................................................................................45 4.2.3. A hımérséklet hatása a vázszerkezetre...........................................................................................46 4.3. A monomerek koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre ...............................................................48 4.3.1. DEGDMA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre ............................................................48 4.3.2. HEA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre......................................................................51 4.3.3. NIPAAm koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre ..............................................................54 4.3.4. BMA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre .....................................................................58 4.3.5. GMA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre.....................................................................60 4.4. A pórusképzı oldószer(ek) hatása a pórusszerkezetre...........................................................................64 4.4.1. Egy oldószer felhasználásával készült monolitok...........................................................................64 4.4.2. Két oldószer felhasználásával készült monolitok ...........................................................................70 4.4.2.1. Etilacetát/alkohol oldószerrel készült homopolimer monolitok.................................................71 4.4.2.2. Acetonitril/alkohol oldószerrel készült homopolimer monolitok...............................................73 4.4.2.3. Aceton/alkohol oldószerrel készült homopolimer monolitok .....................................................76

Tartalomjegyzék

5

5. Folyadékkromatográfiás elválasztások ..........................................................................................................79 5.1. DEGDMA ko-HEA kolonna .....................................................................................................................79 5.2. DEGDMA ko-NIPAAm kolonna..............................................................................................................83 6. Összefoglalás, tézisek .......................................................................................................................................85 7. Irodalomjegyzék...............................................................................................................................................88 8. Melléklet............................................................................................................................................................91 8.1. A kromatográfiás elválasztás általános jellemzése és alapfogalmai:.....................................................91 8.2. A Hildebrand oldhatósági paraméter és elmélete ...................................................................................92 Monomer keverékek esetében a Hildebrand oldhatósági paraméter.....................................................93 8.3. A háromszög módszer ...............................................................................................................................94

Rövidítések jegyzéke

6

Rövidítések jegyzéke Monomerek: DEGDMA HEA GMA BMA NIPAAm DEA

dietilénglikol-dimetakrilát 2-hidroxietil-akrilát glicidil-metakrilát butil-metakrilát N-izopropil-akrilamid dietilamin

Oldószerek: MetOH EtOH PrOH ButOH Acnit. Ac. Etilac. THF

metanol etanol 2-propanol terc-butanol acetonitril aceton etilacetát tetrahidrofurán

Kromatográfiás elválasztás során használt anyagok: Phe fenil-alanin Tyr tirozin Trp triptofán His hisztidin HSA humán szérum albumin Mérı mőszerek: SEM FTIR DRIFT

pásztázó elektronmikroszkóp Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia diffúz reflektancia feltét

Bevezetés

7

1. Bevezetés A merev pórusos polimer monolitok az anyagok egy új osztálya, amelyet a 90-es évek elején fedeztek fel és forradalmasították a folyadékkromatográfiát. Ezek az anyagok olyan elválasztó közegek, amelyek egyetlen nagy tömbhöz hasonlíthatunk, ahol a pórusok csatornákat alkotnak az egész polimer kolonna hosszában, és így a folyadék akadálytalanul tud közlekedni ezeken a járatokon. A folyadék áramlásáért a makropórusok felelısek, míg az elválasztást a mezo- és mikropórusok végzik. A pórusméreteket és azok arányait az elıállítási körülmények változtatásával lehet megtervezni, az épp aktuális felhasználási területhez igazítva. A monolitok felhasználásának számos lehetséges módja van, mind általános mind egyedi célokra. Legfontosabb alkalmazási területük a folyadékkromatográfia, ahol elválasztó közegként szolgálnak. A leggyakrabban vizsgált állófázisok a hidrofil/hidrofób, affinitás, méretkizárásos és ioncserélıs monolit kolonnák. Az ilyen töltetek legfıbb elınye, hogy nincsen holt tér, emiatt gyorsabb az anyagátadás; az elválasztás ideje órákról percekre csökken és a kolonna közvetlenül az elıállítás után a megfelelı rendszerhez csatlakoztatható. Nagy fajlagos felületük miatt természetesen más analitikai célokra is fel lehet használni ezeket a polimereket: hordozóként, adszorbensként, szilárd fázisú reagensként, összetett szintézisekben, enzim hordozójaként vagy a lab-on chip technikákban. A monolitok hagyományos elıállítása során használt iniciátorok hıérzékenysége, a hosszú reakcióidı, a kolonna falának anyaga, vastagsága mind-mind a monolit pórusszerkezetének körülményes kialakítását eredményezi. Ezek a hátrányok ugyanakkor kiküszöbölhetık, ha a monolitokat ionizáló sugárzással iniciált polimerizációval állítjuk elı. Az általános nézet szerint, ezen alternatív elıállítási módszer esetében a végtemék tulajdonságai függetlenek a kiindulási hımérséklettıl, nincs szükség iniciátorra a polimerizáció elindításához (tiszta végtermék), az elıállítási idı rövid és a kolonna köpeny/töltet vastagsága/anyagi minısége nem befolyásolja a képzıdı monolit jellemzıit. Ilyen technikával elsıként Mariano Grasselli és Sáfrány Ágnes készített pórusos polimer monolitot1. A monolitok pórusos tulajdonságait a dózis, a hımérséklet és a dózisteljesítmény változtatásával lehet befolyásolni úgy, hogy a polimer rendszer összetétele változatlan maradjon. További lehetıség a monomer koncentrációjának változtatása, valamint különbözı pórusképzı oldószerek felhasználása a polimerizáció során. 1

Grasselli M., Sáfrány, A., Smolko E.E., Obtención de polímeros macroporosos mediante polimerización radioinducida, Patente de invencion P010104532 (argentin szabadalom, 2001.09.26)

Bevezetés

8

Munkám célja különbözı pórusos polimer monolit tömbök elıállítása γ-sugárzással iniciált gyökös oldószeres polimerizációval, valamint a pórusméret változásainak vizsgálata az elıállítás körülményeinek függvényében. Elsı lépesként homopolimerek elıállítását végeztem el dietilénglikol-dimetakrilát monomerbıl különbözı oldószerek (alkoholok, etil-acetát, aceton és tetrahidrofurán), valamint ezen oldószerek kombinációjának felhasználásával. Az elıállítási körülmények (dózis, hımérséklet, dózisteljesítmény) pórusos tulajdonságokra gyakorolt hatását az átfolyási sebesség mérésével, és pásztázó elektronmikroszkópos, nitrogén adszorpciós, valamint higany porozimetriás módszerekkel vizsgáltam. Ezt követıen különbözı koncentrációkkal a dietilénglikol-dimetakrilát – mint keresztkötı – mellett 2-hidroxietil-akrilát, glicidil-metakrilát, butil-metakrilát, N-izopropilakrilamid

kopolimert

is

tartalmazó

monolitokat

állítottam

elı.

A

kopolimerek

szerkezetvizsgálatához FTIR módszert használtam kiegészítésképpen az elıbb említett vizsgálati módszerek mellett. Mivel a monolitokat elsısorban az analitika területén, és ezen belül is a folyadékkromatográfiában hasznosítják, vizsgálatokat végeztem arra vonatkozóan is, mennyire használhatók az általam készített kopolimer monolitok különbözı biológiai anyagok kromatográfiás elválasztására.

Irodalmi összefoglaló

9

2. Irodalmi összefoglaló A monolitok elıállításához általában gyökös oldószeres polimerizációt használnak, a gyökképzést pedig az iniciátor termikus vagy fotoindukált bomlásával indítják el. Alternatív módszer a gamma-sugárzással iniciált polimerizáció. Az utóbbi esetben, a részecske nagy energiája miatt, inszelektív energia elnyelés történik, és a polimerizációhoz szükséges gyökök az oldószeren is és a monomeren is képzıdnek. Ennek az eljárásnak a jobb megértéséhez a polimerek sugárzással történı elıállítási módszerét kell áttekinteni. 2.1. Sugárkémia A sugárkémia az anyagban elnyelıdı ionizáló sugárzások energiája által kiváltott kémiai reakciókkal foglalkozik. Az elnyelt sugárzási energia egységét elnyelt dózisnak vagy egyszerően a dózisnak nevezzük, ezen egy adott kis anyagmennyiség által elnyelt energia és az anyagmennyiség hányadosát értik.

D=

dE dm

(Gy )

(1)

A dózis az SI mértékegység-rendszer által ajánlott egysége a Gray (Gy), mely alatt az 1 kg tömegő anyagban elnyelt, Joule-ban kifejezett energiát értik, mértékegysége tehát J kg-1. Az egységnyi idı alatt elnyelt, tömegegységre vonatkozatott energiát dózisteljesítménynek (DI) nevezik, mértékegysége a Gy s-1, Gy min-1 vagy Gy h-1 [1]. A dózis mérésére számos módszer ismeretes. Egyik legelterjedtebb az általunk is használt klórbenzol kémiai doziméterekkel való meghatározás. Adott koncentrációjú klórbenzol alkoholos oldatának besugárzása hatására klorid ionok illetve klóratomok válnak szabaddá, amelyek sósav formájában stabilizálódnak. Az oldat vezetıképességének megváltozását mérik. A vezetıképesség és az elnyelt dózis közötti kapcsolatot a kalibrációs görbe írja le (2-5 % pontosságú). A sugárkémia legfontosabb ipari alkalmazásai a polimerkémia területére esnek (polimerizáció iniciálása, polimerek módosítása). A következı fejezetben a különbözı polimerizáció

mechanizmusokról,

polimerizációra térek ki.

részletesebben

pedig

a

gyökös

oldószeres


10

2.2. Polimerizáció A polimerek a legszőkebb értelmezés szerint a szerves kémia olyan hosszúláncú vegyületei, amelyben tipikusan sok ezer elemi építıegység (monomer) kötıdik egymáshoz elsıdleges (ionos vagy kovalens) kémiai kötéssel. Fontosságuk kiemelkedı, hiszen az egész élıvilág, minden fehérje, a legtöbb szénhidrát lényegében polimer szerkezető. A polimerizáció típusa és jellege elsısorban a monomer kémiai szerkezetétıl, a funkciós csoport(ok) típusától függ. Az elıállítás körülményei nagyban befolyásolják a kapott polimer molekulatömegét, szerkezetét és ezáltal tulajdonságait is [2]. A polimerizációt mechanizmusát tekintve két fı csoportra lehet osztani: 1)

Addíciós vagy láncpolimerizáció, ahol a monomer molekulák gyors

láncreakcióban kapcsolódnak egymáshoz úgy, hogy egy aktiválási lépés után a kialakult aktív centrumon keresztül megy végbe a lánc növekedése. Ide tartozik a gyökös, kationos, anionos, koordinációs polimerizáció. Az addíciós polimerizáció monomerei többnyire kettıs kötést tartalmazó, túlnyomórészt vinil (CH2=CHR1), vagy vinilidén (CH2=CR1R2) vegyületek, ahol R1 és R2: hidrogén, halogén, alkil, alkenil, aril, szubsztituens, mint pl. metil, fenil ciano, vinil csoport. A polimerizáció aktív centruma szabad gyök és elemi lépéseiben is gyökök vesznek részt. Az elemi lépések a következık: 1. Iniciálás: a növekedésre képes aktív centrum kialakítása R

R

(2)

2R

R M

R + M

(3)

Iniciálási reakciók — peroxidok bomlása: CH3

CH3

CH3

C O

C O O C CH3

CH3

CH3

azovegyületek bomlása:

CH3

CH3 C N N C CN

redox iniciálás:

2

CH3

2

CH3

CH3 2 CH3 C + N2

CN

R O O H + Fe

(4)

(5)

CN

RO + OH

3

+ Fe

(6)


11

2. Láncnövekedés: gyors monomer addíció H R ( CH2CHX )nCH2

H

C + CH2

R ( CH2CHX )n+1CH2

CHX

C

(7)

X

X

3. Lánzáródás: a láncnövekedés megállása, a kinetikai lánc lezáródása – két makrogyök kölcsönhatásával – egy makrogyök és egy iniciátor gyök reakciójával – reakció valamilyen más aktív molekulával – szennyezıdések (pl. oxigén) hatására A láncvégek reakciója lehet: rekombináció

CH2 CH CH CH2

CH2 CH + CH CH2 X

X

X

(8)

X

diszproporcionálódás CH2 CH2 + CH CH X X

CH2 CH + CH CH2 X

X

(9)

2) Lépcsıs polimerizáció, mechanizmusa eltér az elıbbitıl, mivel itt nem egy aktív centrumhoz kapcsolódik a monomer, hanem minden funkciós csoport reagálhat a másikkal függetlenül attól, hogy monomerhez, oligomerhez vagy polimerhez kapcsolódik. Itt két alcsoportot különböztetünk meg: polikondenzácíót és poliaddíciót. Polikondenzációs reakciók típusai: – homo-polikondenzáció nX A Y

n HO R

COOH

X ( A )nY + (n _ 1) XY

H ( ORCO )nOH

+

(n _ 1) H2O

(10) (11)

– hetero-polikondenzáció nX A X + nY B Y n HO R OH + n HOOC R` COOH

X ( AB )n Y + (2n _ 1) XY

(12)

H ( OR OCO R`CO )n OH + (2n _ 1) H2O

(13)

A láncpolimerizáció és lépcsıs polimerizáció különbségei, összefoglalva táblázatos formában a következık:


12

Láncpolimerizáció

Lépcsıs polimerizáció

• A növekedési reakcióban csak monomer • Bármelyik két jelenlévı kapcsolódhat a lánchoz. reagálhat egymással.

molekula

• A monomer koncentrációja folyamatosan • A monomer korán elfogy a reakció csökken a polimerizáció során. elegybıl. • Azonnal képzıdik nagy móltömegő • A polimer molekulatömege folyamatosan polimer, a molekulatömeg gyakorlatilag nı a reakció alatt. nem változik a reakció alatt. • A reakció idıvel nı a kitermelés, de a • Nagy móltömeg eléréséhez hosszú molekulatömeg alig változik. reakcióidı szükséges. • A reakcióelegy csak monomert, polimert és • A különbözı móltömegő komponensek kb. 10-8 % növekvı polimer láncot eloszlása bármely pillanatban tartalmaz. kiszámítható. Az elıállított polimerek típusa szerint megkülönböztethetünk homo- és kopolimereket. A homopolimerek építıeleme mindig azonos, független a kiindulási komponensek számától. A kopolimerek két vagy több építıelembıl épülnek fel. Ezeket elsısorban addíciós polimerizációval állítják elı. A polimerizációs reakciók jellegétıl és körülményeitıl függıen változhat a láncok szerkezete. Bizonyos eljárások, mint pl. az anionos polimerizáció lineáris láncokat alakítanak ki, azonban más polimerizációs eljárások nemlineáris molekulaszerkezetet (térhálót) is eredményezhetnek. A térhálós szerkezet azt jelenti, hogy a láncok egymáshoz is kapcsolódnak, háromdimenziós hálót kialakítva. Ez a jelenség a többfunkciós monomerek reakcióira is jellemzı: itt nemcsak lineáris láncok, hanem elágazások is létrejönnek. Amennyiben a többfunkciós monomerek száma elég nagy, a polimer egyetlen nagy molekulává alakul [2]. 2.2.1. Gyökös polimerizáció és térhálósodás a sugárkémiában A

láncpolimerizáció

legszélesebb

körben

használt

módszere

polimerizáció. Ennek a polimerizációnak több kivitelezési módszere ismert:

Tömbpolimerizáció

Szuszpenziós polimerizáció

Emulziós polimerizáció

Oldószeres polimerizáció

a

gyökös


13

Ezek a reakciók, mint általában a polimerizációs reakciók, összetettek, és több elemi lépésre bonthatók. Ezek a lépések: iniciálás, láncnövekedés (propagáció), láncátadás, lánczáródás (termináció). Az elsı lépés az aktív növekedésre képes centrum kialakítása, az iniciálás. A láncindítást kémiai vagy fizikai módszerekkel válthatjuk ki. A kémiai iniciálásnál a gyököket nem a monomerekbıl, hanem viszonylag könnyen gyökökre bomló anyagokból, iniciátorokból állítjuk elı. Ezek az anyagok valamilyen kémiai reakció (termikus-, foto-) során bomlanak szabad gyökökre. A fizikai iniciálás történhet termikus vagy sugárzásos (ultrahang, UV fény, γ-sugárzás) módszerekkel. Mivel a sugárzási energia elnyelıdése során töltéssel nem rendelkezı gyök, valamint elektron, anion és kation keletkezhet, az iniciálás és a polimerizáció mind gyökös, mind anionos, illetve kationos mechanizmussal végbemehet. Az, hogy a lehetıségek közül melyik valósul meg, a monomer tulajdonságaitól és az oldószer minıségétıl függ [1]. Néha egymással párhuzamosan többféle iniciálás is történhet. A sugárzással iniciált polimerizáció folyadékfázisban szobahımérsékleten vagy afelett leggyakrabban gyökös mechanizmusú [3]. Gamma- vagy elektronbesugárzás esetén a monomer (M) vagy az oldószer (O) molekuláiból keletkezı R•-gyökök, elsı közelítésben homogén eloszlásúnak tekinthetık. [4,5]: γ M, O→R•, •

(14) •

R + M→RM ,

(15)

RMn• + M→RMn+1•,

(16)

RMn• + RMn•→P.

(17)

A gyökös polimerizáció kezdeti lépéseként az R•-gyök a (15) reakcióban monomer molekulára addícionálódik, amit a (16) szerint sorozatos addíció követ. A növekvı gyököt tartalmazó lánc átlagos élettartama rövid: több mint 1000 egységbıl álló lánc jöhet létre 10-2 - 10-3 sec alatt [2]. A növekvı makrogyök nagyon reakcióképes és a láncreakció során több mellékreakció (láncelágazás) is felléphet. A láncnövekedés megállása, a lánczáródás (termináció) (17. egyenlet, P-végtermék), többféle módon mehet végbe: két láncvég kölcsönhatásával a láncvég és egy iniciátor gyök reakciójával reakció valamilyen más molekulával (oldószer, monomer gyök) szennyezıdés (oxigén) hatására.


14

Bifunkciós monomerekbıl álló rendszerben nagy relatív molekulatömeg csak akkor érhetı el, ha a reakciót nagy polimerizációs fokig visszük. Többfunkciós monomerek reakcióiban nem csak lineáris láncok, hanem elágazások is létrejönnek, a molekulatömeg azonos konverzió esetén is lényegesen nagyobb lesz. Amennyiben a többfunkciós monomerek száma elég nagy, a monomer egyetlen nagy molekulává alakulhat át [2]. 2.2.2. Sugárzással iniciált polimerizáció és gyökképzıdés

A gyökös polimerizáció indítása (iniciálás) többféle módon történhet. A legelterjedtebb módszerek közé tartozik a termikus iniciálás, a redox kémiai reakció és a sugárzásos eljárás. A sugárzásos iniciálás során az aktív centrumokat besugárzással állítják elı. A sugárzás típusától függıen beszélhetünk fotokémiai vagy ionizáló sugárzásos iniciálásról. A két besugárzási típus között alapvetı különbség, hogy a fotokémiai reakció szelektív, azaz a foton hullámhosszától függıen más és más vegyületek vihetık reakcióba, ugyanakkor a fény behatolóképessége korlátozott. Rendszerint az ilyen típusú reakcióknál adalékanyagok (katalizátor, iniciátor) bevitele is szükséges a polimerizáció iniciálásához. A nagyenergiájú sugárzás elnyelıdése nem szelektív, mivel a sugárzás energiája több nagyságrenddel meghaladja a kémiai kötések energiáját. A nagyenergiájú sugárzással (gamma-, elektron és röntgen) kiváltott iniciálás elve az, hogy az aktív centrumok a képzıdött gyors szekunder elektronok közremőködésével jönnek létre. Ezeket a gyököket egyenesen a monomeren és az oldószeren generáljuk, ezért nincs szükség iniciátorra. A γsugárzásos eljárás során a polimerizációt bármilyen hımérsékleten és bármilyen halmazállapotban

beindíthatjuk;

monomerek

és

polimerek

széles

skálája

áll

rendelkezésünkre (mivel a sugárzás energiájának elnyelıdése nem szelektív módon történik); a polimerizáció és a térhálósodás folyamata igény szerint széles skálán szabályozható. Mivel adalék nélküli az eljárás (nincs iniciátor vagy katalizátor, melyek maradványai beszennyezhetik a terméket), „tiszta” végterméket kaphatunk. Az

általunk

vizsgált

dietilénglikol-dimetakrilát

(DEGDMA,

monomer)

polimerizációja és térhálósodása a gyökös (oldószeres) polimerizáció családjába tartozik. Ebben az esetben a kiinduló rendszer a monomer(ek)bıl és az oldószer(ek)bıl áll. Oldószer jelenlétében a polimerizáció sebessége és a hıeffektus csökken, és így a reakció szabályozása egyszerőbb.


15

Monomer pórus

Polimerlánc

térháló

Térhálós polimer

1. ábra: A térhálós polimer képzıdése.

A DEGDMA esetében, a térhálós polimer kialakulásával a rendszer általában már nem homogén fázisú, mert a polimer kicsapódik az oldatból, tehát a rendszer heterogénné válik. Az elegybıl kicsapódó polimerben makrogyökök maradhatnak vissza, melyek a rendszer állapotától függıen önmagukkal záródnak, vagy tovább növekednek a bediffundált monomerrel történı reakció során. A térhálósodás következtében alakulhatnak ki a különbözı mérető pórusok és térhálók (1. ábra). Az oldószer tisztasága különösen fontos, mert a szennyezık gátolhatják a polimerizációt, láncátadás történhet az épülı polimerláncról a szennyezıre [6]. Az oxigén jelenlétére is ügyelni kell, mert az a szabad gyökökkel elıszeretettel reagál. Az így keletkezett peroxidgyökök peroxidok vagy H-peroxidok képzıdésével stabilizálódhatnak, a késıbbiek folyamán alkoxigyökökké bomlanak késleltetett reakciókat okozhatnak. A peroxigyökök egyéb gyökös reakciókba is léphetnek, reakcióképességük azonban gyakran kisebb, mint a kiinduló gyöké. Így az oxigén jelenléte alapvetıen megváltoztathatja a gyökös reakciók lefolyását [3]. A rendszerbıl úgy lehet az oldott oxigént eltávolítani, hogy azon közvetlenül a besugárzás elıtt nitrogént buborékoltatunk át. A buborékoltatás után a mintát oxigéntıl elzártan kell besugározni. 2.3. Oldószerek sugárkémiája Az gyökös oldószeres polimerizáció lefutásánál fontos tényezı az oldószer fizikai és kémiai tulajdonsága mellett a besugárzás alatt végbemenı bomlástermékek megismerése, mert ezek a termékek befolyásolhatják a polimerizáció lefutását. Az alkoholok, különösen a kisebb szénatomszámú homológok sugárkémiai jellemzıi sokkal inkább hasonlítanak a víz radiolízisének jellemzıihez, mint a szénhidrogénekéhez [1]. Ez fıként a közeg polaritásának a következménye, mely lehetıvé


16

teszi a töltéssel rendelkezı részecskék (elektronok és kationok) szolvatálódását, tehát elısegíti stabilizációjukat, megnövelve ezzel az élettartamot. A kationok a vízbıl keletkezı H2O+*gyökanionéhoz molekuláival.

hasonló

Folyékony

ion-molekula

metanol

kölcsönhatásba

impulzusradiolízisekor

a

léphetnek

a

közeg

szolvatált

elektronok

fényelnyelése λmax=630 nm-nál jelentkezik, és a fényelnyelési együttható nagy εmax=1700 m2 mol-1, a hozam2 G(eszolv-)≈0,5 µmol J-1. 1. táblázat: Metanol, etanol, propanol, izopropanol és tercier-butanol bomlásának termékei, µmol J-1 [1] Alkohol

H2

CH3OH

0,55

CH3CH2OH

0,5

CH3CH2CH2OH

Szénhidrogén

Glikol

CH4

0,07

CH4

0,06

C2H6

0,025

0,46

C2H6

0,21

0,16

CH3CH(OH)CH3

0,38

CH4

0,16

0,02

(CH3)3COH

0,1

CH4

0,37

C2H6

0,07

Karbonil

0,37

HCHO

0,22

0,25

CH3CHO

0,29

HCHO

0,19

CH3CHO

0,3

CH3CHO

0,03

(CH3)2CO

0,15

(CH3)2CO

0,26

(CH3)2CHCHO

0,07

-

A folyékony metanol bomlásakor a fontosabb termékek a H2, a formaldehid és a glikol. Etanol esetében a H2, az acetaldehid és a 2,3-bután-diol: itt az α-diol termékek arra utalnak, hogy a bomlási folyamatokban az α-hidrogénatom-eliminációjával létrejövı αhidroxialkilgyökök kiemelkedıen fontos szerepet játszanak [5]: CH3CH2OH→CH3C•HOH + H•

(18)

CH3CH2OH + H•→CH3C•HOH + H2

(19)

2 CH3C•HOH →CH3CH–CHCH3 │ │ HO OH

(20)

Az aceton radiolízisekor az alifás szénhidrogének és az alkoholok radiolízisével ellentétben kevés hidrogén keletkezik. Ezt arra vezetik vissza, hogy az inizáció során keletkezı elektronok az aceton karbonil oxigénjén fogódnak be, és a semlegesítıdést követıen kialakuló gerjesztett molekulák C-C kötésszakadással bomlanak. A bomlás fı 2

A hozam (G): 1 J sugárzási energia elnyelése hatására képzıdı, bomló vagy átalakuló molekulák, gyökök vagy egyéb részecskék, molban kifejezett mennyisége


17

termékei G=0,2 illetve 0,08 µmol J-1 hozammal a metán és a szén-monoxid, és csak harmadik helyen követi a hidrogén G=0,06 µmol J-1 értékkel [1]. Az acetonitril oxigénmentes 0,1 M-os oldata, gamma sugárzással történı besugárzásakor acetaldehid (G=1,5 µmol J-1) és ammónia (G=1 µmol J-1) képzıdik. 2.4. Monolitok A 60-as évek közepén egy új típusú anyagot állítottak elı tömbi polimerizációval, amely a gyöngyökkel töltött kolonnák alternatívájaként jelent meg. Ennek az új anyagnak a monolit3 nevet adták. A monolitok olyan merev, pórusos polimer tömbök amelyeket zárt rendszerben, egy lépésben állítanak elı. A polimert hagyományosan általában a monomer, pórusképzı oldószer és iniciátor keverékének polimerizációjával alakítják ki. Az iniciátor egy adott hımérsékleten elbomlik és a képzıdött gyökök elindítják a polimerizációs folyamatot az oldatban. Ha a képzıdı polimert az oldószer nem oldja, az kicsapódik. A kicsapódó láncok összekapcsolódva polimer magokat képeznek. Ezt követıen a polimerizáció az oldatban tovább halad, de a monomerek nagyobb lokális koncentrációja miatt a magok környezetében gyorsabban megy végbe. A képzıdı polimerláncok továbbra is kicsapódnak, és a magokhoz tapadva növelik azok méretét. A növekvı magok egy idı után összeérnek és összekapcsolódnak: az így növekedı részek klaszterekké állnak össze, melyeket polimerláncok kötnek össze. Az így kialakuló váz üregei alkotják a pórusokat. A polimerizációs reakció elırehaladtával a magok közti keresztkötıdések és az éppen polimerizálódott láncok befogása által a váz szerkezete egyre stabilisabbá válik, és a monolit pórusai száraz állapotban is megmaradnak. A monolitok pórusai között megtalálhatók mikro- (<2 nm), mezo- (2-50 nm) és makropórusok (>50 nm) is. A makropórusok teszik lehetıvé a folyadék átfolyását kis nyomás mellett, míg a mezo- és mikropórusok a nagy felületért felelısek (itt történik például az anyagok elválasztása folyadékkromatográfiában). A monolitok pórusos tulajdonságait elsısorban a hımérséklettel, az oldószer és a monomer változtatásával lehet befolyásolni. Az elsı ilyen típusú elválasztó közegek polimer gélbıl (poli(2-hidroxietilmetakrilát-ko-etilén-dimetakrilát) vizes oldata) és pórusos poliuretán habból készültek.

3

nagymérető, egyetlen darabból, tömbbıl álló tárgy


18

Méretkizárásos kromatográfiában alkalmazták ezeket, ugyanakkor a szétválasztási hatékonyság nem volt igazán kielégítı [7]. A monolit hordozók és fıként a monolit alapú HPLC és mikro-HPLC hordozók elıállítása az utóbbi években vált jelentıs érdeklıdés tárgyává. Jó hatásfokkal alkalmazható monolitot elsıként Hjertén és társai állítottak elı [8,9]. Az általuk készített kolonna poli(akrilsav-ko-metilén-biszakrilamid)-ot

tartalmazott

és

proteinek

ioncseréléses

elválasztására használták. Ez a monolit még nem rendelkezett jól meghatározott pórusszerkezettel, ugyanakkor az a felfedezés, hogy a pórusokon át konvektív áramlás jöhet létre, ha azok mérete 60 nm feletti, és így a nagy tömegátvitel miatt biomolekulák gyors elválasztására van lehetıség, a terület gyors fejlıdését indította el. A monolit rendszerek általában polisztirol-divinilbenzol, akrilát vagy metakrilát alapúak. A monomert és a térhálósítószert iniciátor segítségével, legalább egy pórusképzı oldószer jelenlétében polimerizálják [10]. A monomer és térhálósítószer aránya mellett a pórusképzı oldószerek, az iniciátor koncentrációja és a reakció hımérséklete befolyásolják a pórusszerkezetet [11,12]. A monolitok elıállítására számos módszer ismeretes: a gyökös polimerizáció során a reakció az iniciátor - termikus [11-13], fotoindukált (UV) [14-17] bomlásával, gamma vagy elektron-sugárzás hatására [18-21] indítható el. További lehetıség a poliaddíció [22], a polikondenzáció [23], és a győrő felnyílással járó polimerizáció [24-27]. A makropórusos polimereket különbözı analitikai célokra lehet felhasználni, például hordozóként, adszorbensként,

szilárd

fázisú

reagensként,

összetett

szintézisekben,

enzimek

hordozójaként vagy a lab-on-chip technikákban [28-33]. Az elmúlt 15 évben a makropórusos anyagok (monolitok) alkalmazása gyors fejlıdésnek indult, és napjainkra igen elıkelı helyre került ez a módszer az elválasztástechnikában és a kémiai számos más területén. Számos összefoglaló cikket találunk a monolitok témakörében [34-46]. A következıkben néhány fontosabb eredményt kiragadva bemutatom a monolitok legfontosabb elıállítási módszereit és legígéretesebb felhasználási területeit. 2.4.1. Termikus úton indított gyökös polimerizáció

A hımérséklettel iniciált polimerizációs módszer elınye, hogy szinte bárhol elvégezhetı, olcsó és nem igényel speciális felszerelést. Hátránya a hosszú reakcióidı, az


19

iniciátor által megszabott viszonylag nagy polimerizációs hımérsékletet, ami miatt korlátozott a választható monomerek és oldószerek száma. A polimerizációs hımérséklet változtatása a polimerizáció kinetikájára gyakorolt hatásának következtében különösen elınyös a polimerek pórusméretének szabályozásakor. Így különbözı méreteloszlású makropórusos polimer elıállítására nyílik lehetıség egy adott összetételő polimerizációs keverékbıl. A formázott merev monolit rudak, amelyeket Svec és Frechet állítottak elı 1992ben, ígéretes tulajdonságokkal rendelkeztek az elválasztástechnikában [13]. Ez a rendszer glicidil-metakrilát (GMA) monomerbıl és keresztkötıként etilén-glikol-dimetakrilátból állt, oldószerként ciklohexanolt és dodekanolt alkalmaztak. A termikus gyökös polimerizáció elindításához azo-bisz-izobutironitril (AIBN) iniciátort használtak. A polimerizáció 6 órán át tartott 70 oC-on. A GMA epoxi csoportjait tovább alakították (funkcionalizálták) dietilaminnal. Az így kapott kolonnán 35 perc alatt mioglobin, ovalbumin, citokrom C és lizozin elválasztását végezték el. Megvizsgálták azt is, hogy a különbözı hımérsékleten indított polimerizációnak milyen hatása van a pórusméretre az elıbb említett rendszereknél [11,12]. Svec és tsai. a kísérletet 55 és 90 oC közötti hımérsékleteken végezték. A higanyporozimetriás adatok kisebb pórusméretet mutattak a nagy hımérsékleten elıállított mintáknál (2. ábra) [11].

Pórus átmérı, nm 2. ábra: A glicidil-metakrilát-ko-etilén-dimetakrilátból készített monolit minták higanyporozimetriás méréseinek adatai. Jelölés az ábrán: (1) 55 oC; (2) 60 oC; (3) 65 oC; (4) 70 oC; (5) 80 oC; (6) 90 oC-on készült monolit minták [11].

Ez a változás azzal magyarázható, hogy a nagy hımérsékleten indított polimerizáció során a gyökképzés gyorsabb, ezáltal rövid idı alatt nagy számú polimer lánc képzıdik, a növekvı magok száma is nagyobb lesz, így kis pórusokat alakítanak ki. (Természetesen a pórusfelszín a hımérséklet növekedésével nı.) Vizsgálták az AIBN és a benzoil-peroxid


20

iniciátorok hatását is a pórusszerkezetre. AIBN iniciátor használata esetén a két különbözı hımérsékleten elıállított rendszer pórusmérete kisebb volt, mint benzoil-peroxid iniciátor esetén. 2.4.2. Fotoindukált (UV) gyökös polimerizáció

A gyökös polimerizáció során a reakció az iniciátor termikus indítása mellett fotoindukált bomlással is megvalósítható. Az UV iniciált polimerizációs módszer elınye, hogy a pórusos és a kémiai tulajdonságok széles tartományban irányíthatóak. A pórusos tulajdonságok (pórusméret, pórustérfogat és a fajlagos felület) a pórusképzı oldószerek összetételével és az UV-sugárzás intenzitásával szabályozhatók. Ez a polimerizációs eljárás gyors, kis hımérsékleten is elvégezhetı, így a monolitok elıállításához használt oldószerek szélesebb skálája áll rendelkezésre [14-16], mint a termikus iniciálásnál. Hátrány az UV sugárzás kis behatolási mélysége, ami korlátozza a monolit méretét és alakját, a kolonna pedig csak olyan anyagból készülhet, ami az UV-sugárzást átereszti. Emellett csak olyan iniciátor használható, ami fotoindukálható. Egyes monomerek, mint a glicidil-metakrilát epoxi csoportjai olyan felület kialakításában

tudnak

segíteni,

ahol

a

proteinek

elválasztása

megvalósítható.

Mikrokapillárisokban elkészítve, a 2-hidroxietil-metakrilát (HEMA) – hidrofil, poláris funkciós csoportot képezhet, míg a butil-metakrilát (BMA) – hidrofób tulajdonságú felületet ad. Ezeket a monolitokat többek között szilárd fázisú extrakciónál lehet felhasználni [14]. A poli(GMA-ko-EDMA) monolitoknál azt tapasztalták, hogy a metanolban gazdag pórusképzı keverékben a pórusok méretei megnınek. A másik oldószer (50%-ban) lehet etanol vagy hexán. Míg az elıbbinél az átlagos pórusátmérı 4,7 µm volt, addig az utóbbi oldószernél az átlagos pórusátmérı 5,22 µm-re növekedett. A HEMA monomer esetében csak a metanol, etanol és hexán oldószerekben jöttek létre pórusos monolitok (THF, acetonitril, kloroform és etilacetát oldószerekben 50%-os arányban nem alakultak ki pórusos szerkezetek). Ezeknél a rendszereknél az átlagos pórusátmérı etanol esetén – 51 nm, hexán esetén 7,9 µm. A BMA monolitoknál pedig a pórusméret csökkenés tapasztalható éppen úgy, mint az elıbbi esetekben is, de nem akkora mértékő (etanolos minta – 1,5 µm, hexános minta pórusi nem nınek akkorára, mint a GMA esetében 58 nm). A BMA hidrofób tulajdonságával és az eddigitıl eltérı fáziselválsztással magyarázzák a tapasztalt különbségeket. Az ilyen BMA és EDMA-val készült monolitokat szilárd fázisú


21

extrakciónál (SPE) és ioncserélıként sikeresen használták kis molekulatömegő vegyületek, proteinek és peptidek elválasztására [16]. Egy

másik

kísérletsorozatban

kvarc

kolonnában

glicidil-metakrilát

és

trimetilolpropán-trimetakrilát monomer keveréket készítettek i-oktán (makropórusképzı) és toluol (mikropórusképzı) oldószer keverékkel, a benzoin-metiléter volt a fotoiniciátor [15]. Szobahımérsékleten, 365 nm hullámhosszú UV fénnyel indították a reakciót. A pórusok mérete 33 és 4500 nm között változtak, a pórusfelszín pedig 8 és 165 m2/g között volt, a monomer és oldószer arányainak függvényében. 2.4.3. Gamma sugárzással indított polimerizáció

Ennek a módszernek az elınye, hogy a gyököket közvetlenül a monomeren hozzuk létre, ezért nincs szükség iniciátorra (tiszta, adalék nélküli eljárás). A szintézis bármilyen hımérsékleten megvalósítható, nagyszámú oldószer alkalmazható, rövid az elıállítási idı, és a monolit azonnal felhasználható. Az ionizáló sugárzás nagy áthatolási mélysége révén a monolit mérete és alakja széles tartományon belül változtatható, így a kívánt alkalmazási területhez igazítható az elıállítás. Az módszer nem szelektív, ami néha elıny, néha hátrányt jelent. A gamma sugárzással indított polimerizációs módszer a sugárzással iniciált heterogén polimerizáció egy változata, amelyet korábban sikeresen alkalmaztak monodiszperz polimer mikrogömbök és pórusos polimer monolitok elıállítására is. Mikrogömböket dietilénglikol-dimetakrilát (DEGDMA) kopolimerekbıl állítottak elı, különbözı szerves oldószerek jelenlétében [47-51]. Tanulmányozták, hogy a polimerizációs hımérséklet, a monomer és az oldószer típusa, a dózis nagysága és a dózisteljesítmény hogyan befolyásolják a polimerizáció kinetikáját és a kapott termékek tulajdonságait [47,48]. A DEGDMA mikrogömbök elıállításának feltétele, hogy a felhasznált oldószer oldhatósági paramétere közel azonos legyen a monemerével, valamint kicsi legyen az oldószer viszkozitása. Nagy mérető gömböket (4,8 µm) kis viszkozitású oldószerekkel és hosszabb besugárzási idıkkel lehetett elıállítani [48]. Az alkoholok – oldhatóságuk és viszkozitásuk miatt – nem kedveznek a mikrogömbök kialakulásának [49]. A mikrogömbök elıállításánál kapott eredményeket jól lehetett hasznosítani a monolitok elıállítása során. A pórusméret változtatható a besugárzási hımérséklettel, a monomer, az oldószer és a térhálósító vegyület megválasztásával, azok koncentrációjával, valamint a dózissal és a dózisteljesítménnyel [18,52,53]. Grasselli és tsai. [52]


22

monodiszperz mikrogyöngyöket és epoxi funkcionalitással rendelkezı pórusos polimereket állítottak elı sugárzásos polimerizációval. Mikrogyöngyök elıállítása 30%-nál kisebb monomer koncentrációnál lehetséges, míg pórusos polimereket 30-50% közötti monomerkoncentrációnál állítottak elı. Nagyobb koncentrációknál üvegszerő homopolimer a

végtermék.

Megvizsgálták

a

monomer

koncentrációjának,

a

dózisnak,

a

dózisteljesítménynek, a hımérsékletnek és az oldószereknek a hatását a polimer pórusszerkezetére. Úgy találták, hogy a 30%-os monomeroldat besugárzásakor, 15 kGy-nél nagyobb dózis esetében a polimerizáció teljesen végbement. A monomer koncentrációjának növelésével a monolit pórusmérete csökken, nagy dózisnál (a keresztkötések száma nagyobb, a váz merevebb) és kis dózisteljesítménynél kis pórusú polimereket lehet elıállítani. Nagy hımérsékleten (40-50˚C) nagyobb pórusszerkezető mintákat kaptak. Az oldószerek hatása volt a legszembetőnıbb: az alkoholokkal (metanol, etanol, terc-butanol, „makropórus képzı” oldószerek), nagy pórusú mintákat, míg olyan oldószerekkel mint az aceton, tetrahidrofurán, etilpropionát vagy dioxán, („mikropórus képzı” oldószerek) nagyon kis pórusmérető monolitok keletkeztek. A nagy eltérést a monomer jobb oldódásával magyarázták az adott oldószerben. 2.4.4. Egyéb elıállítási módszerek Monolitokat elı lehet állítani a következı módszerekkel is: elektronsugárral aktivált szabadgyökös polimerizációval, poliaddícióval vagy polikondenzációval. Bandari és tsai. metakrilát alapú monolitokat állítottak elı elektronsugarak4 segítségével [20,21]. A polimerizációs keverék összetételének változtatásával a kapott pórusos rendszerek átlagos pórusmérete 270-750 nm között változott. Impulzusos besugárzást alkalmazva a teljes átalakításhoz szükséges dózis hosszabb idın keresztül nyelethetı el a mintában, a gyökök is hosszabb idın keresztül hozhatók létre. Így a folyamatos hıelvezetés miatt akár 2 cm belsı átmérıjő, térben homogén pórusszerkezető monolitok is egyszerően készíthetık. Ezeket a tölteteket proteinek elválasztására és katalizátorként alkalmazták [20].

4

A részecskegyorsítással kapott sugárzás elınye az izotópokból származó sugárzással szemben az, hogy széles energiatartományban állítható elı ion-, elektron- vagy pozitron nyaláb, a dózisteljesítmény nagyságrendekkel nagyobb lehet az izotópsugárzáshoz képest, valamint a kibocsátott sugárzás bármikor leállítható, a gyorsítóberendezés kikapcsolásával a sugárzás azonnal megszőnik.


23

Tsujioka és munkatársai egyszerő poliaddícióval5 készítettek monolitot polietilénglikolból (PEG) és 4,4-metilén-bis(ciklohexilamin)-ból [22]. A különbözı tömegő PEG polimerekbıl készített monolitoknál a polimerizáció során a hımérséklet befolyásolta a pórusméretet és a polimer váz struktúráját (3.ábra). A PEG kisebb tömege (MW=150), a nagyobb polimerizációs hımérséklet (T=160˚C), a pórusméretet növekedését eredményezte (2,5 µm-rıl 4 µm-re).

b

a

c

3. ábra: PEG monolitok SEM felvételei: (a) PEG (MW=200), T=120˚C; (b) PEG (MW=150); T=160˚C; (c) PEG (MW=300); T=80˚C [22]

Nguey és Irgum – „olaj a vízben” emulziós folyamattal epoxi csoportot tartalmazó monomerekbıl (pl. 1,4-butándiol-diglicidil-éter és bisfenol-A-diglicidil-éter) és diamin típusú oldószerekben (pl. 1,6-diamino-hexán) állítottak elı monolitokat [54]. Az így kapott makropórusos monolitok fajlagos felülete kisebb volt 2 m2/g-nál. Mivel a váz nem bizonyult elég merevnek, az ilyen anyagok szilárdfázisú extrakciónál alkalmazhatók, HPLC kolonnaként viszont már nem. Hosoya és tsai. polikondenzációval6 állítottak elı monolitot [23]. Kondenzációs reakció segítségével a monomert tris(2,3-epoxi-propil)-izocianurat és királis aminokból építették fel. Az így kapott rendszerek csak makropórusos csatornákat tartalmaztak, mikro és mezopórusok nélkül (4. ábra), a pórusfelszín 2,7 m2/g volt. A monoliton kiváló hatékonyságot értek el különbözı alkilbenzolok elválasztásakor.

4. ábra: Polikondenzációval készített monolit SEM képe [23].

5

A poliaddíció során a monomer(ek)bıl melléktermék nélkül makromolekulájú anyag keletkeznek. A polikondenzációs reakció során egyes monomerekbıl kismolekulájú melléktermék (például víz vagy metanol) kilépésével alakulhat ki a makromolekulákból álló végtermék.

6


24

2.5. A monolitok felhasználási területei A makropórusos polimerek számos alkalmazása lehetséges, mind általános, mind egyedi célokra. A monolitok felhasználása a folyadékkromatográfiás iparágban indult jelentıs fejlıdésnek és már a kereskedelemben is kaphatók monolit kolonnák, mint a BIA separation (CIM disk Monolithic Columns) vagy az ISCO (Swift monolithis columns) kolonnák [55]. A kromatográfiás kolonnákban való felhasználás tekintetében a legszélesebb körben vizsgáltak a hidrofil/hidrofób, affinitás, méretkizárásos és ioncserélıs monolitokat. A makropórusos polimereket más analitikai célokra is fel lehet használni, mint például adszorbensként, hordozóként, összetett szintézisekben, szilárd fázisú reagensként, enzim hordozójaként vagy a lab-on-chip technikákban [32,56,57]. A következıkben a monolitok fontosabb alkalmazási területeit mutatom be. Monolitok, mint bioreaktorok: mivel a monolitok lehetıvé teszik a mozgó fázis gyors áramlását a pórusokon keresztül, a tömegtranszport nagy. Így ezek az anyagok jó teljesítményt nyújthatnak a biokatalizátorokat megkötı anyagok hordozóiként. Enzimek megkötése szilárd hordozóra nagyon elınyös, mert lehetıvé teszi a biokatalizátorok többszöri felhasználását és a termék elkülönítését, ha az enzimreakció végbement. A makropórusos gyöngyökön és a poli(glicidil-metakrilát-ko-etilén-dimetakrilát) [58] és poli(vinil-4,4-dimetilazlakton-ko-metilén-biszakrilamid)

[59]

monolit

hordozókon

megkötött tripszin enzim aktivitása mindig nagyobbnak bizonyult a monolitokon, mint a gyöngyökön. Ez a hatékony tömegátvitel miatt még nagy áramlási sebességeknél is teljesült. Monolitok

felhasználása

szilárd

fázisú

detektálásnál:

a

peroxioxalát

kemilumineszcenciája a hidrogén-peroxid kimutatásának egyik leghatékonyabb módja [60]. Poli(glicidil-metakrilát-ko-trimetilolpropán-trimetakrilát) monolit kolonnában a monolit hordozóra megkötött 3-amino-fluorantén kétszer akkora fényhozamot mutatott, mint a módosított 50 µm-es gyöngyökkel töltött reaktor [61]. Monolitok felhasználása szilárd fázisú extrakciónál (SPE)7: A szilárd fázisú extrakciós eszközöknél a nem pórusos mátrixba ágyazott vagy két lap közé szorított szorbens szemcsék a legelterjedtebbek, mert egyszerően integrálhatók a különbözı automatizált rendszerekbe [40]. A monolitok ideális megoldást jelenthetnek ezen a téren is, hiszen bármilyen alakban elıállíthatók, feltéve, hogy a felületük elég nagy a szükséges 7

ez az extrakciós módszer folyadék halmazállapotú minták, azaz oldott mintakomponensek kinyerésére alkalmazható izolálással, a zavaró komponensek eltávolításával.


25

fizikai adszorpció biztosításához. Nagy áteresztıképességő, 400 m2/g felszínnel rendelkezı monolitokat állítottak elı divinil-benzol polimerizációjával. Az anyag szorpciós kapacitása 23 mg/g volt 2-nitrofenolra 10 cm/perc áramlási sebességnél, ami jelenleg a kisebb teljesítményő SPE lemezek kapacitásának felel meg. Ugyanakkor az anyag kiváló tömegátviteli tulajdonsága 300 cm/perc áramlási sebességnél is elfogadható, 2,6 mg/g kapacitást mutatott [62]. Monolitok, mint folyadék-kapuk és -szelepek: A poli(N-izopropil-akrilamid) (PNIPAAm) a hıérzékeny polimerek egyik példája, melynek kritikus duzzadási hımérséklete 32 ˚C (lásd 4.3.3. rész). Az ilyen típusú polimereket számos helyen felhasználják, például gyógyszervizsgáló rendszerekben, polimerek töményítésében és bioreaktorokban. A PNIPAAm-nál kimutatott hımérsékletváltozás hatására fellépı térfogatváltozás a monolitokban is felhasználható a folyadékáram szabályozására. A kritikus hımérséklet alatt a PNIPAAm láncai nyújtott konfigurációt vesznek fel, így kitöltik a monolit pórusait és gátolják a folyadékáramlást, de 32 ˚C fölött ezek a láncok összezsugorodnak és már nem torlaszolják el a pórusokat, ami a folyadékáram növekedésével jól ellenırizhetı. A póruseltömıdés mértéke az ojtás során használt keresztkötı monomerek (metilén-biszakrilamid) hozzáadásával befolyásolható. Már 1 % keresztkötı mennyisége is meggátolja a pórus teljes eltömítését, így a monolit kapuként dolgozik, csak lecsökkenti az áramlási sebességet válaszul a hımérséklet változásra [63]. Másik lehetıség a folyadék zsilipszerő áramoltatására a metakrilsav ojtása glicidil metakrilát felületre. A pH érzékennyé tett felület segítségével proteinkeverék és benzol homológok elválasztását végezték el [64]. Molekulafelismerés [65]: Adott hordozón áthaladó molekulák tekintetében nagy szelektivitással rendelkezı anyagokat lehet elıállítani a molekula-lenyomat (imprinting) technológia felhasználásával. Itt a polimerizáció elsı lépésében a monomereket és a keresztkötıket a sablonmolekulával együtt polimerizálják. A sablonmolekulát késıbb kivonják a polimerbıl, így kémiai kölcsönhatásra alkalmas funkciós csoportokat tartalmazó lenyomatot hagynak hátra a polimer vázban. A lenyomat alakja és a funkcionális csoport elrendezése komplementer a sablonmolekula szerkezetével. Matsui és társai [66] a technológiát akrilsav és etilén-dimetakrilát felhasználásával alkalmazták, és diaminonaftalén valamint fenil-alanin-anilid enantiomerek izomereinek elkülönítésével kimutatták ezen anyagok molekula-felismerı képességeit. Szilícium kapillárisban elıállított pórusos polimereket

pedig

sikeresen

alkalmaztak

elektroforézises elkülönítésére [67].

pentamidin

és

benzamidin

szelektív


26

On-chip elválasztások: Bár a kromatográfiában

is

ígéretes,

elválasztórendszerekben

való

a

monolit anyagok technológia

alkalmazásuk

teljesítménye

igazi

jelenti.

elınyét

Több

csoport

a

a

kapilláris

miniatürizált is

beszámolt

elektroforetikus on-chip elválasztásról, amelyben a nyitott csatornákban a töltött molekulák elektromos tér hatására fellépı migrációját használták ki [68-70]. Ugyanakkor csak néhány esetben

számoltak

be

semleges

molekulák

ténylegesen

kromatográfiás

on-chip

elválasztásáról [71,72]. Az „álló” fázist minden esetben a csatornák felületmódosított vagy mikro-megmunkálással készült fala jelentették, és nem a tényleges töltetek. Az oldat egyszerő bejuttathatósága és a pórusos monolit szerkezete, helyben történı kialakítása vonzó alternatívát jelentenek ezen a területen. Az eljárás további finomítása fotoiniciációval, valamint maszkok és speciális polimerizációs keverékek alkalmazásával összetettebb chip-alapú rendszerek elıállítását tehetik lehetıvé, egyszerően szabályozható téreloszlással, méretekkel és a felület kémiai tulajdonságaival, amelyeket számos célra alkalmazni lehet. Folyadékkromatográfiás

felhasználás

[37,73]:

A

monolitok

használata

folyadékkromatográfiás töltetekként hatékonyságuk és hidrodinamikai tulajdonságaik miatt más megközelítést igényel, mint a töltött (hagyományos) kolonnák. A pórusos polimer monolitok bimodális pórusméret-eloszlással rendelkezı rendszerek, ahol a kisebb (mezo)pórusok biztosítják a felszínt az elérni kívánt kölcsönhatáshoz, míg a nagyobb (makro)pórusok – melyek csatornák hálózatát alkotják a polimerben – biztosítják a nagy átfolyási sebességet kis nyomáson. Az ilyen monolitok használata kolonna töltetként a következı elınyökkel jár: nagyobb sebesség, nagyobb kapacitás, jobb felbontás. Ezen felül a kolonna töltésével járó nehézségek is elkerülhetık (gyöngyök sérülése a töltés során), mivel a monolitokat „in-situ” módon állítják elı egy lépésben, a kolonna belsejében. A fordított fázisú technikában hidrofób felülető poli(sztirol-ko-divinil-benzol) monolitot használnak. Ezt alkalmazzák például a rövid peptid molekulák elıállításánál, valamint tisztasági fokának ellenırzésével a gyógyszeriparban. Kimutatták, hogy monolit kolonnában az ilyen elválasztások a jobb tömegtranszport miatt jelentısen gyorsabban mennek végbe, mint a töltött gyöngy kolonnákban [34]. Pórusos C18-as szilica alapú monolitoknál pedig az inzulin kimosását érték el jó hatásfokkal [74]. Petro és munkatársai a monolitok méretkizárásos kromatográfiában (SEC) való alkalmazása során polisztirol keverék szétválasztását hasonlították össze egy forgalomban lévı méretkizárásos kolonnán (PL gél) és egy poli(sztirol-ko-divinil-benzol) monolit kolonnán (5. ábra). Kimutatták, hogy a monolit kolonnák nagyobb áramlási sebességek


27

használatát teszik lehetıvé (nagyobb terhelést bírnak, mint a C18-as kolonnák), így

Abszorbancia, mUA

gyorsabb az elválasztás [75]

Retenciós idı, min 5. ábra: Sztirol oligomerek elválasztása fordított fázisú poli(sztirol-ko-divinil-benzol) (a) és méretkizárásos PL gél (b) kromatográfiával [75].

Az ioncserés technikában való felhasználás egyik példája a poli(glicidil-metakrilát-koetilén-dimetakrilát) monolit kolonna, amelyben az epoxi csoportokat reagáltatják olyan vegyületekkel, amelyek ioncserélı kölcsönhatásra képesek. Ilyen például a mioglobin,

Abszorbancia, mUA

konalbumin és tripszin inhibitorok elválasztása dietilamin kolonnán (6. ábra) [11,76-78].

Retenciós idı, min 6. ábra: Mioglobin (1), konalbumin (2) és tripszin inhibitor (3) elválasztása poli(glicidil-metakrilátko-etilén-dimetakrilát) monolit kolonnán ioncserés módszerrel [34].

A kapilláris elektrokromatográfiás (CEC) [79] elválasztás általában C18 módosított szilícium gyöngyökkel töltött kapilláris kolonnákkal történik, elektroozmózisos áramlás segítségével. A technika komoly hátránya a gyöngyök betöltése a kis átmérıjő csövekbe. Ennek kiküszöbölésére alkalmas a monolit, mivel azt a kolonna belsejében lehet elıállítani.


28

Elektrokromatográfiában használható kolonnát állítottak elı etilén-dimetakrilát, butilmetakrilát

és

2-(akrilamido)-2-metil-1-propánszulfonsav

kopolimerizációjával

pórusképzı

oldószer

jelenlétében

(AMPS) [80-82].

egyszerő A

pórusok

tulajdonságainak pontos szabályozásával a kapilláris optimális tulajdonságai könnyen szabályozhatók. A kolonnán kilencféle benzolszármazékot választottak el 6 perc alatt. Affinitás kromatográfia a monolitok egyik új alkalmazási területe [83]. A megfelelı mechanikai stabilitást, átfolyási sebességet és nagy felületet biztosító monolitokkal kiküszöbölhetık

a

vékony

membránok

hátrányos

tulajdonságai.

Akár

vékony

kapillárisokban is [84] „in situ” elıállítható pórusos polimerek a ligandumok megkötése után azonnal készen állnak a felhasználásra. Affinitás kromatográfiás célra sikeresen alkalmaztak polimetakrilát monolitokat protein A [84,85] és lecitin [86] ligandumokkal glükoproteinek, glükokonjugátok és hIgG elválasztására. A hidrofób kölcsönhatású kromatográfia (HIC) a proteinek elválasztásának másik módja. A HIC a proteinek hidrofób részeinek és az elválasztó közeg hidrofób ligandumjainak (rövid alkilláncok vagy fenilcsoportok) kölcsönhatásán alapul. Az akrilamid és metilén-biszakrilamid kolonnában a hidrofób kölcsönhatás felerısítését butilmetakrilát hozzáadásával (kopolimerizációjával) értek el [87,88]. Ennek a kolonnának egyetlen hátránya a jó reprodukálhatóság biztosítása, mivel a kolonna pufferelése idıt igényel. Ezért egy másik hidrofób tulajdonságú kromatográfiás töltetet fejlesztettek ki, amelynek felületi polaritása a proteinek elválasztásához termikus úton változtatható. A monolit felületére ojtott PNIPAAm láncai hımérséklet hatására nemcsak az áramlást, de a felület kémiai tulajdonságait is meg tudják változtatni (LCST8 alatt hidrofil, LCST felett hidrofób). Egy ilyen kolonnával végzett elválasztás látható a 7. ábrán, ahol a karbonanhidráz és tripszin inhibitor izokratikus9 elválasztását végezték el [63]. Elıször az ojtott monolitot 40˚C melegítették, majd injektálták a két protein keverékét. A hidrofil karbonanhidráz kimosódott, míg a hidrofób tripszin inhibitor még 10 perc elteltével sem eluálódott a kolonnából. Ha a kolonna hımérsékletét 25˚C alá csökkentik a kimosódás azonnal megtörtént. Polimer monolitok mint gázkromatográfiás töltetek [87]: A 70-es évek végén többen is kísérleteztek monolit-szerő gázkromatográfiás kolonnák elıállításával úgy, hogy nyitott pórusú habokat töltöttek nagy átmérıjő üvegcsövekbe. Ezeknek a kolonnáknak rossz volt az elválasztási hatásfoka, és a habok korlátozott kapacitással rendelkeztek. 8 9

LCST-(lower critical solution temperature) alsó kritikus oldódási hımérséklet Izokratikus elválasztás: a mozgó fázis összetétele állandó


29

Hımérséklet, ˚C

Abszorbancia, mUA

40 ˚C

25˚C

Retenciós idı, min 7. ábra: Karbon anhidráz (1) és tripszin inhibitor (2) izokratikus elválasztása poli(N-izopropilakrilamid-ko-metilén-biszakrilamid ojtásával felületmódosított pórusos poli(glicidil-metakrilát-koetilén-dimetakrilát) monolit kolonnán [63].

Késıbb polimerizált nyitott csıszerő polimer réteggel (PLOT) kísérleteztek [88-90]. Poli(divinil-benzol) monolit példáján (8. ábra) mutatták be elıször [91], hogy a merev pórusos polimerek a gázkromatográfiában is felhasználhatók. A pórusos anyagban 380 °Cig semmilyen kárt nem okozott a hıhatás, a vizsgálat azt is kimutatta, hogy ez az anyag a gázkromatográfiában 300 °C-ig folyamatosan, 350 °C-ig pedig szakaszosan használható. A monolitos gázkromatográfiás kolonna elınyei az egyszerő, egylépéses, „in situ” elıállítás, valamint, a hagyományos töltött kolonnákkal ellentétben a kolonna hossza vágással egyszerően módosítható. Emellett a felület kémiai tulajdonságainak módosítása révén az anyag polaritása és a szelektivitás is széles tartományban változtatható.

Idı, min

8. ábra: Poly(divinil-benzol) kapilláris kolonna SEM felvétele (bal oldalt) [89]. Jobb oldalon a) 100, b) 320 µm –es átmérıjő monolit kolonna elválasztása. Anyagok: metanol (1), etanol (2), acetonitril (3), aceton (4), 1-propanol (5), metil-etil-keton (6), 1-butanol (7), toluol (8), etil-benzol (9), propil-benzol (10), butil-benzol(11) [89].


30

A polimer monolitok elınyei közt szerepel a könnyő elıállítás, a kémiai tulajdonságainak sokoldalúsága, jó elválasztóképességük a biológiai és szintetikus molekulák esetében. A gyors elválasztás miatt ezek a rendszerek felhasználhatóak az iparban folyamatellenırzésre, gyors diagnosztikára, szenzorokhoz és sok más feladat elvégzéséhez.

Minták elıállítása, vizsgálati módszerek

31

3. Minták elıállítása, vizsgálati módszerek A munkám során alkalmazott kémiai anyagokat a 2-4 táblázatokban tőntettem fel, a fontosabb

jellemzıikkel

együtt.

Részletesen ismertetem

a

monolitok

elıállítási

körülményeit, a használt mérımőszereket, és azok mőködési elvét. 3.1. Kísérleti anyagok A munkám során a 2. táblázatban szereplı monomereket használtam fel, az oldószerek a 3. a kromatográfiás elválsztáshoz használt anyagok pedig a 4. táblázatban vannak összefoglalva. 2. táblázat: A monolitok elıállítása során használt monomerek Név

Szállító

dietilénglikol-

Szerkezeti képlet O

Aldrich

dimetakrilát

O

O

SP2

Rövidítés

C12H18O5

242,27

DEGDMA

C5H8O3

116,1

HEA

C7H10O3

142,15

GMA

C8H14O2

142,2

BMA

C6H11NO

113,16

NIPAAm

C4H10NH

73,14

DEA

O OH

O

glicidil-metakrilát

M

O

O

2-hidroxietil-akrilát

Összegképlet

O

O

Aldrich O

butil-metakrilát

O

Aldrich O

MonomerN-izopropil-akrilamid

Dajac Labs dietilamin

H N

Polymer & O

CH3 CH3

Aldrich

3. táblázat: A monolitok elıállítása során használt oldószerek Név

Szállító

Összegképlet

M

Rövidítés

metanol

AnalityCals, Carlo Erba

CH4O

32,04

MetOH

etanol

Reanal

C2H6O

46,07

EtOH

2-propanol

Merck

C3H8O

60,08

PrOH

terc-butanol

Merck

C4H10O

74,14

ButOH

acetonitril

AnalityCals, Carlo Erba

C2H3N

41,05

Acnit.

aceton

Reanal

C3H6O

58,08

Ac.

etilacetát

Reanal

C4H8O2

88,11

Etilac.

tetrahidrofurán

Reanal

C4H8O

72,11

THF


32

4. táblázat: A kromatográfiás elválasztás során használt anyagok Név

Szállító

Összegképlet

M

Rövidítés

fenil-alanin

Reanal

C9H11NO2

165,19

Phe

tirozin

Reanal

C9H11NO3

181,19

Tyr

triptofán

Reanal

C11H12N2O2

204,23

Trp

hisztidin

Reanal Reanal

C6H9N3O2

155,16

His

humán szérum albumin

fehérje

HSA

A vegyszereket további tisztítás nélkül használtam fel. A kísérletek során ioncserélıvel elıállított vizet alkalmaztam (Elga, Option 4). 3.2. A minták elıállítása A 25 mm hosszú és 4 mm átmérıjő teflon csöveket, mőanyag tasakokba helyeztem, két csı/tasak (9. ábra), amelyeket DEGDMA oldattal töltöttem fel és még a lezárás elıtt nitrogén átbuborékoltatásával oxigénmentesítettem.

9. ábra: Teflon csövek feltöltés elıtt (bal oldali kép) és a besugárzás után (jobb oldali kép) 60

Co γ sugárforrással végeztem a gyökös polimerizációt. Kezdetben a csöveket

függılegesen is és vízszintesen is besugároztam. Mivel a kétféle helyzetben besugárzott minták között nem volt különbség a késıbbiekben a minták függıleges besugárzással készültek. A besugárzás után a teflon csöveket kívülrıl megtisztítottam a fölösleges polimerektıl és közvetlenül használtam a fluxus és SEM mérésekhez. A nitrogén adszorpciós és a higany porozimetriás mérésekhez használt minták az elıbb bemutatott módszerrel készültek annyi különbséggel, hogy a monomer/oldószer keveréket nem töltöttem teflon csövekbe. A konverzió méréséhez elıállított monolit minták Eppendorf csövekben készültek. A monomer és oldószer tömegét mértem a besugárás elött. A mintákat a besugárzás után centrifugáltam és az elıállítás során használt oldószerrel háromszor átmostam azért, hogy az elreagálatlan monomerektıl megtisztítsam. A tiszta mintákat 50 ºC-on szárítottam 2 héten át. Az így kapott mintákon ismételt tömegmérést végezve megkaphatjuk, hogy a monomer hány százaléka alakul át polimerré.


33

A konverzió számítása: Konverzió (%)

= WD *100 %

(21)

Wo

Wo – a kiinduló monomer tömege; WD – D dózissal besugárzott minta tömege A LC tölteteket 128 mm hosszú és 4 mm átmérıjő rozsdamentes acél kromatográfiás

kolonnában

készítettem

el.

A

felhasználás

elıtt

a

kolonnákat

megtisztítottam. A kolonna egyik végét lezártam, a másik oldalról a monomer oldattal feltöltöttem majd ezt az oldalt is lezártam, és besugároztam. A besugárzást követıen a kolonnát csatlakoztattam a kromatográfiás készülékhez, szabályos kolonna illesztéseket használva,

majd

különbözı

mesterségesen

összeállított

elegyek

elválasztásával

kísérleteztem. 3.3. Vizsgálati módszerek 3.3.1. A fluxus és az átfolyási sebesség mérése A méréséhez használt rendszer: kromatográfiás szivattyú (Liquochrom Model 2010, LMIM,

Magyarország)

amelyhez

a

teflon csöveket

szabványos

kromatográfiás

csatlakozókkal kötöttem össze (10. ábra). A szivattyút egy nitrogén gázpalackhoz csatlakoztattam, mivel a folyadék áramlását a kolonnában a gáz túlnyomása szolgáltatta. Az átfolyási sebesség meghatározásához a kromatográfiában gyakran használt acetonitril eluenst használva mértem az idıegység alatt átfolyt folyadékmennyiséget keresztmetszetre vonatkoztatva (fluxus). A fluxust a következı módon számoltam:

v=

V t × r 2π

(22)

v – fluxus [ml/perc mm2], V – adott idı alatt átfolyt anyag mennyiség [ml], t – idı [perc], r – a teflon csı sugara [mm]. A mérés során a folyadék (acetonitril) áramlási sebességét a gáznyomás változtatásával szabályoztam, a nyomást 0,05 – 0,2 MPa tartományban változtattam. A mintákat száraz állapotban és metanolban való áztatás után is megmértem. Egy–egy mintán három párhuzamos mérést végeztem, azok eredményeit átlagoltam.


34

10. ábra: Liquochrom Model 2010, LMIM, Magyarország (bal oldali képen a szivattyú látható a gáz nyomásmérıvel, jobb oldali képen a szivattyúhoz csatlakoztatott teflon csı).

Az átfolyási sebesség méréséhez használt rendszer: Jasco típusú folyadékkromatográfiás rendszer, amelyet a késıbbiekben ismertetek. A nyomás – átfolyási sebesség görbék felvétele úgy történt, hogy állandó átfolyási sebesség mellett mértem a nyomást, majd az átfolyási sebességet a nyomás függvényében ábrázoltam. 3.3.2. Morfológiai vizsgálatok

A pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) mérésekhez a mintákat teflon csıbıl kivágott 1 mm vastag anyagból készítettem (JEOL JSM 5600 LV, 11. ábra). A mintákat besugárzás után száradni hagytam, majd vékony platina-palládium vagy arany réteget választottam le a felületre porlasztásos módszerrel JEOL JFCI 300AutoFine Coater berendezés alkalmazásával. A felvételek körülményei: feszültség 25 kV; munka távolság 20 mm; felbontás 5 nm; vákuum automatikus (10-4 Pa nagyságrendő), nagyítás 1000, 2000, 5000, 10000 – szeres, de az értekezésben csak az 5000 – szeres nagyítások szerepelnek.

11. ábra: JEOL JSM 5600 LV.

3.3.3. Pórusos tulajdonságok meghatározása A monolitok pórusos tulajdonságait higanyos porozimetriával és a nitrogén adszorpciós mérésekkel határoztuk meg, melyek nagy elınye, hogy alkalmasak a porozitás és a pórusméreteloszlás egy lépésben történı meghatározására. A két módszer elve


35

különbözı és jelentısen eltér a meghatározható pórusmérettartomány is. A nitrogén adszorpció elsısorban a mikro- és mezopórusok, míg a higanyos porozimetria a mezo- és makropórusok

megfigyelését

teszi

lehetıvé.

A

pórusméret

eloszlásokat

higany

poroziméterrel, Department of Chemistry, University of California, Berkeley (Autopore III 9400, 12. ábra) és a Pannon Egyetemen mérték (Carlo Erba, 70 típusú) az általam elkészített mintákon. A berendezés mőködési elve azon alapszik, hogy a higany behatolóképessége a kapillárisokba függ a kapilláris átmérıjétıl. Légköri nyomáson a higany nem képes 7*10-4 cm-nél kisebb átmérıjő pórusokba behatolni a felületi feszültsége miatt. Ahhoz, hogy kisebb mérető pórusokba is bejuttasson, külsı erıt (nagyobb nyomást) kell alkalmaznunk. Ha ismerjük az éppen alkalmazott nyomást és meg tudjuk mérni, hogy mennyi higany került be ennek hatására a pórusokba, kiszámítható, hogy mekkora az ilyen mérető pórusok aránya a mintában [92]. Azok a pórusok mérhetıek, amelyek nyitottak a minta felszínére. A mintát a mérés elıtt kiszárítják és gáztalanítják. Ez a mérési módszer 7,5 nm – 7500 nm közötti pórusok méréséhez alkalmazható. 12. ábra: Autopore III 9400

A higany porozimétriás mérések eredményeit a Washbur egyenlet alapján értékelik:

∆P =

2γ cosΘ r

(23)

∆P – a higany nyomás különbsége (N/m2), r – a pórus sugara, γ − higany felületi feszültsége (480 mN/m) Θ – határszög folyadék és szilárd fázis között (140º) A pórus felszínét (S):

S=

1 γ | cosΘ |

Vtot

∫ pdV képlettel számolták. 0

Vtot a pórus térfogat. Az átlagos pórus átmérı :

d átlag = 4

Vtot S

A mérésrıl részletesebben a 8. mellékletben lehet olvasni.

(24)


36

A mérési módszer hátránya: -

az értékeléshez állandó felületi feszültség és határszög értékeket használnak, de ezek a mérés során változhatnak

-

a módszer túlbecsli a kis pórusok arányát

-

nagy nyomásoknál a minta és a benne lévı pórusok is összepréselıdhetnek, ami a kis és közepes mérető pórusok arányának megnövekedéseként jelentkezik a pórusméret eloszlásban.

A

gázadszorpciós

vizsgálatokat

Zrínyi

Miklós

Nemzetvédelmi

Egyetemen

(Quantachrome Autosorb-1, 13. ábra), Budapest Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen és a Pannon Egyetemen (Micromeritics, ASAP 2000) készítettük. Ezekhez a mérésekhez is külön mintákat készítettem, a vizsgálatokhoz minimálisan 1 g anyagra volt szükség. A mintákat tasakokban – teflon csöveket elhagyva –, tehát csak a monomer és oldószer keverékeket besugározva készítettem el. Mérés elıtt ezeket a mintákat is száradni hagytam 2 hétig 50 ºC-on. A térfogatos adszorpciós mérés során, állandó hımérsékleten ismert térfogatú és nyomású gázt bocsátanak az adszorbensre. A reprodukálhatóság feltétele, hogy az adszorbens felületérıl a szennyezı gázokat és gızöket

melegítéssel,

valamint

tartós

vákuumozással

eltávolítsák (0-300ºC, 10-2 mbar nyomás). A szívatás ideje és a hevítés

hıfoka

az

adszorbens

anyagi

minıségétıl

és

szerkezetétıl függ (a mi esetünkben ez 40ºC-on 24 órán át tartott). Az adszorbeált gáz nitrogén volt, az adszorpciót a cseppfolyós nitrogén hımérsékletén (77 K) vizsgáltuk. 13. ábra: Quantachrome Autosorb-1

A fajlagos felület számítása a Brunauer – Emmett – Teller modell (BET) alapján történt az adszorpciós ág adatainak felhasználásával [94]: P V(p 0 − P)

=

1 C −1 P + × Vm C Vm C P0

(25)

V – az adszorbeált gáz térfogata standard hımérsékleten és nyomáson (cm3/g) Vm – adszorbeált gáztérfogat egymolekulás borítottság esetén (cm3/g) P0 – telítési nyomás (Pa); P – adszorpciós egyensúlyi nyomás (Pa)


37

C – adszorpciós állandó, dimenzió nélküli állandó, amely a pormintán adszorbeált gázadszorpciós entalpiájával függ össze Ezután a következı összefüggésbıl számolt értéket,

P V(p 0 − P)

azaz a BET-értéket - az 1.

egyenletnek megfelelıen - P/P0 függvényében ábrázoljuk. Ennek a függvénynek általában egyenest kell adnia a relatív nyomás 0,05 és 0,3 közti tartományában. Az adatokat abban az esetben tekinthetjük elfogadhatóknak, ha a lineáris regresszió korrelációs együtthatója (r) legalább 0,9975, azaz r2 értéke legalább 0,995. A kapott egyenesbıl lineáris regressziós analízissel kiszámíthatjuk az egyenes meredekségét [(C – 1)/VmC] és tengelymetszetét [1/VmC].

Ezen

értékekbıl

Vm-et

az

1/(meredekség+tengelymetszet),

C-t

a

(meredekség/tengelymetszet)+1 kifejezésbıl számoljuk ki. Az így meghatározott Vm-bıl a fajlagos felületet (SBET) az alábbi összefüggés alapján m2.g-1-ban kapjuk meg:

S BET =

Vm N av a m mVL

(26)

Nav – Avogadró állandó (6x1023 mol-1) am – a nitrogén molekula felületigénye (0,162 nm2) m – minta tömege (g) VL – a nitrogén gáz moláris térfogata (22414 cm3, 20 ºC)

A mérésrıl részletesebben a 8. mellékletben lehet olvasni. A gázadszorpciós izoterma adszorpciós ágából a pórusméret eloszlást Barret, Joyner és Halenda módszerével számítottuk [24], az értékelést NOVA WIN program segítette. Ez a mérési módszer a 1,7 – 300 nm közötti pórusok mérésére alkalmazható. A mérési módszer hátrányai: -

a mérés idıigényes

-

csak nyílt pórusokat lehet vizsgálni

-

a pórusméret eloszlásban hengeres pórusgeometriát feltételeznek

-

a mérési hımérséklet (77 K) károsíthatja a mintát.

Ez a két módszert teljesen lefedi a teljes mikro és makro pórus tartományt, ami monolitok pórusaira jellemzı.


38

3.3.4. Folyadék kromatográfia

A monolitokat elsısorban folyadékkromatográfiás kolonnaként használják (mikro LC illetve HPLC formában). Az általam alkalmazott berendezés egy diódasoros detektorral felszerelt HPLC volt, ahol 190-800 nm között akár 0,01 s idıközönként felvehetı a teljes elnyelési spektrum, ezáltal minden összetevı abszorbanciája az elnyelési maximumán mérhetı (Jasco MD-2015 Plus és a szivattyú Jasco PU-2089 Plus, 14. ábra). A kromatográfiában alkalmazott monolitok esetében nagyon fontos szempont, hogy a töltet használatakor milyen nyomásig lehet a rendszert terhelni. A nagy nyomás a pórusok méretét megváltoztathatja és/vagy deformálhatja. A kolonnák tölteteinek megfelelı szilárdsággal kell rendelkezni ahhoz, hogy a mérések eredményei nagy nyomások esetében is megfeleljenek a valóságnak. A kromatográfiás tölteteknél fı szempont, hogy minél kisebb nyomás mellett minél gyorsabb átfolyási sebességet biztosítsunk, mert az analizis ideje így csökkenthetı. A kromatográfiás elválasztás általános jellemzését és alapfogalmait a 8.1. mellékletben foglaltam össze.

14. ábra: Jasco MD-2015 Plus folyadékkromatográfia és a Jasco PU-2089 Plus szivattyú

3.3.5. Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (FTIR), diffúz reflektancia (DRIFT) mérése

A monolitok szerkezetvizsgálati módszere lehetséges FTIR rendszerrel (Unicam Mattson Research Series 1 (UMRS1) FTIR spectrometer, 15. ábra). A mérést általában abszorpciós módon végezzük, azaz egy külsı infravörös sugárforrás fényét vezetjük át a mintán, majd egy detektor segítségével észleljük a fényintenzitást. A molekulán belüli kötésekkel rezonáló infravörös kvantumokat az anyag elnyeli és ott az infravörös fényintenzitás csökkenését tapasztaljuk. A Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia elınye, a nagy fényerı és a jó felbontás.


39

A mintán közvetlenül átereszthetjük az infravörös sugarakat, túl nagy elnyelés esetén hígíthatjuk alkáli-haloid sókkal, ebbıl pasztillát is készíthetünk. Elemezhetjük a visszavert sugárzást is mégpedig kétféle módon: közvetlenül a visszavert sugarakat (direkt reflektancia) vagy a szórt sugárzást (diffúz reflektancia) mérjük. A szórt sugárzás mérésén alapuló vizsgálat (DRIFT) során, a mintatartó helyére a diffúz reflektancia feltétet tesszük. A méréshez a kis mennyiségő szilárd mintát összekeverjük KBr finom porával. A KBr ebben az infravörös fénytartományban teljesen "fehér" anyagként viselkedik, így a ráesı sugárzást hullámhossz-függetlenül veri vissza. A KBr kristályok felületén lévı mintán áthaladva a sugárzás spektrális eloszlása megváltozik. A felületrıl távozó szórt fényt összegyőjtjük, és a detektorhoz irányítjuk.

15. ábra: Unicam Mattson Research Series 1 (UMRS1) FTIR spectrometer

Mérési eredmények és azok értékelése

40

4. Mérési eredmények és azok értékelése A polimerek képzıdésének alapvetı követelménye, hogy a monomerek képesek legyenek kémiai reakcióra legalább két másik molekulával. Ennek a kívánalomnak számos anyag megfelel és így a reakciók széles palettája áll rendelkezésünkre. Ilyen például a metakrilátok családjába tartozó vegyület a DEGDMA, amely kétfunkciós így négy másik molekulával léphet reakcióba és emiatt polimer képzésére és térháló kialakítására egyaránt alkalmas. A polimerizáció során, a monomer mellett jelen van a kiválasztott pórusképzı oldószer is. A DEGDMA monomer egyik lehetséges polimerizációja, metanol jelenlétében a következı:

* O O

sugárzásos iniciálás

+

O

OH

+ O

OH

O

O

Met OH

O

(27)

O

+

O

O

*

DEGDMA

O

O O

O

gyökképzıdés a monomereken és az oldószereken

O

O

O

O

O

O

O

O

polimerizáció

O

O

O

O

O

O

lineáris polimer kialakulása

(28)

O

O

O

O

O

*

O

*

O

*

O

O

O

O O

O O

O

O

O

térhálós polimer kialakulása A 27. egyenlet az iniciálás és gyökképzıdés, a 28. egyenlet a polimer váz kialakulásának lehetısége.


41

Amikor a monomert szerves oldószer jelenlétében sugározzuk be, a képzıdött gyökök mind az oldószeren mind a monomeren keletkeznek. Elsı közelítésben homogén eloszlást mutatnak az egész oldatban [3,18,93]. Ezek a gyökök elindítják a polimerizációt úgy, hogy elıbb lineáris aztán elágazó és végül térhálós molekulák keletkeznek 28. egyenlet. A DEGDMA monomer két kettıskötéssel rendelkezı monomer, a polimerizáció és a térhálósodás majdnem egy idıben megy végbe. A keresztkötések kialakulásakor a térhálós molekulák kicsapódnak az oldószerbıl. A további besugárzás hatására gyökök jönnek létre mind a kivált gömbszerő „magokon” mind az oldószerben lévı monomereken, és ezek így tovább növelik méreteiket a szomszédok összekapcsolódásával, és végül kialakítják a pórusokkal rendelkezı mátrixot. 4.1. A monolitok konverziója

A sugárzással iniciált polimerizáció esetén a konverzió mérés (32. oldal) elsıdleges célja az, hogy megállapítsuk, milyen dózissal kell elıállítani az adott polimer rendszert. Megfelelı stabilis polimer vázhoz 100%-os konverzió szükséges, de ez sem minden esetben elégséges. Látni fogjuk, hogy a vizsgált pórusképzı polimereknél 15 kGy dózisnál már teljes a polimerizációs átalakulás, de ezekben az esetekben a polimer váz, még nem megfelelıen merev átfolyási sebesség méréséhez. Az általunk kiválasztott dózis 30 kGy volt, mert a monolitok 3 dimenziós vázszerkezete ilyen dózis alkalmazásával már kialakul és a vizsgálatok során a pórusos szerkezet nem degradálódik jelentıs mértékben. Elsıként a homopolimer, majd a kopolimer monolit rendszerek kerülnek bemutatásra. A 16. ábra DEGDMA monomer átalakulását mutatja metanol oldószerben, 16 kGy/h dózisteljesítmény mellett. Látható, hogy a térhálósodás gyorsabban megy végbe a nagyobb koncentrációjú oldatban. Ebben az esetben a nagy koncentráció a láncnövekedéssel szemben a keresztkötés kialakítását segíti elı. A monomer teljes átalakulása térhálós polimerré 8 kGy-en már megvalósul, ami kevesebb mint egy órás besugárzást jelent, adott dózisteljesítmény esetén. A 16. ábra jobb oldalán látható, hogy a dózis növelésével hogyan változik a polimer felülete, és milyen típusú pórusok alakulnak ki. Az 1 kGy-vel besugárzott mintán elhanyagolhatóan kevés a pórus, a váz struktúrája meghatározhatatlan és az átalakulás csak 6,8 %-os. Ez a monolit rendszer nem használható kolonna töltetként, mivel a kevés keresztkötés miatt nincs mechanikailag merev váz. A 2 kGy-es rendszerben a kialakult pórusok és a térhálósodás mértéke is nagyobb, az átalakulás már 20-39 % közötti (kivéve a 10


42

w.%-os mintát). A 4 és 6 kGy-vel besugárzott mintáknál már jól láthatók a pórusok, a konverzió az elıbbinél 61 %, az utóbbinál már 98 %. A dózis további növelésével már 8 kGynél teljes az átalakulás.

Konverzió [%]

100

80

O

O

O O

O

60

1 kGy

2 kGy

40

10 w.% DEGDMA / 90 w.% MetOH 20 w.% DEGDMA / 80 w.% MetOH 30 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 40 w.% DEGDMA / 60 w.% MetOH 50 w.% DEGDMA / 50 w.% MetOH

20

0 0

2

4

6

8

10

12

4 kGy

6 kGy

14

Dózis [kGy]

16. ábra: DEGDMA monomer konverziója a dózis függvényében (bal oldali ábra); morfológia (jobb oldali ábra). 20 w.% DEGDMA+80 w.% MetOH rendszeren, 25 ºC-on, 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával.

A kopolimerek esetében a kisebb dózisoknál jelentıs eltérés mutatkozik a 30 w.%-os DEGDMA homopolimerhez képest (17. ábra). Ez az eltérés a polimerizáció lefutásában keresendı, amit számos kémiai tulajdonság együttes hatásával lehet magyarázni. Ezek a tulajdonságok az oldhatóság, viszkozitás és a polaritás. A különbözı monomer/oldószer keverékek esetében ezeket az értékeket számolni és mérni is lehet (a 8.3. mellékletben bıvebben a számításról). A GMA kopolimer és a DEGDMA homopolimer rendszerek 6 kGy dózis felett hasonló konverzió lefutást mutatnak. Ez a hasonlóság azzal magyarázható, hogy mindkét monomer poláris, az oldhatósági paraméterük pedig közel esik egymáshoz (δDEGDMA=9,8H; δGMA=10,2H). A HEA és NIPAAm kopolimerek hidrofil tulajdonságúak, de a konverzió lefutásuk csak 10 kGy felett lesz hasonló az elızı kettıhöz. A BMA kopolimer hidrofób tulajdonságú és kisebb viszkozitási és oldhatósági paraméterrel (δBMA=8,5H) rendelkezik mint a GMA kopolimer, ezért késıbb polimerizálódik és késıbb csapódik ki az oldatból. A BMA kopolimer konverziója 8 kGy-nél még csak 51 %-os, addig a GMA kopolimer már 74 %-a polimerizálódott. A kopolimerek esetében a teljes átalakulás kevesebb, mint 2 óra alatt végbemegy (20 kGy). A SEM felvételeknél a kis dózissal készített minták már rendelkeznek


43

kis mérető pórusokkal, de ahogy a homopolimereknél, itt is a vázszerkezet még nem megfelelıen szilárd ahhoz, hogy azokon átfolyási sebességet mérjünk.

DEGDMA 4 kGy

DEGDMA 10 kGy

HEA 4 kGy

HEA 10 kGy

NIPAAm 4 kGy

NIPAAm 10 kGy

BMA 4 kGy

BMA 10 kGy

Konverzió [%]

100 80 60 40 30 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% HEA / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% NIPAAm / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% BMA / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% GMA / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH

20 0 0

5

10

15 20 Dózis [kGy]

25

30

17. ábra: Monolitok konverziója a dózis függvényében (bal oldali ábra); különbözı kopolimerek morfológiája (jobb oldali ábra), 12 w.% HEA/NIPAAm/BMA+18 w.% DEGDMA+70 w.% MetOH rendszeren, 25 ºC-on, 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával.

A kisebb dózisokon kapott eredményeket azért nem elemztük részletesen, mert a munkám célja olyan polimerek elıállítása amelyek mechanikailag stabilisak. A monolitok konverziós méréseibıl megállapítható, hogy a homopolimerek és kopolimerek polimerizációs görbéinek lefutásai között különbség jelentkezik, ami elsısorban a különbözı oldhatósági paraméterekkel értelmezhetı. Továbbá, a kis dózison elıállított monolitok vázszerkezete laza és mint azt a késıbbiekben tárgyaljuk, csak viszonylag nagy dózisnál (20 kGy és nagyobb) lehet megfelelı átfolyási karakterisztikájú monolitokat elıállítani.


44

4.2. Az elıállítás körülményeinek hatása a monolitok pórusszerkezetére

A külsı környezeti hatások ismerete elengedhetetlen egy új polimer anyag elıállítása során, a reprodukálhatóság érdekében minden körülmény hatását azonosítani kell. A sugárzással iniciált polimerizáció egyik legnagyobb elınye, – a hımérséklettıl való függetlensége mellett – hogy a rendszer kémiai összetételének változtatása nélkül lehet a monolitok pórusszerkezetét befolyásolni. Míg a dózissal változtathatjuk a térhálósodás mértékét, addig a dózisteljesítménnyel a reakció sebességét tudjuk szabályozni, mindeközben a rendszer hımérsékletét is tetszés szerint megválaszthatjuk, hogy a kívánt pórusmérető polimert állítsuk elı. Látni fogjuk, hogy a dózis növekedésével a pórusméret csökken, a dózisteljesítmény és hımérséklet növekedésével viszont a pórusok mérete nı. Az elıállítási körülmények hatását a homopolimer (DEGDMA) monolitokon vizsgáltuk. 4.2.1. A dózis hatása a vázszerkezetre

Ebben a kísérlet sorozatban a dózisnak monolitok vázszerkezetére gyakorolt hatását vizsgáltuk. A dózist 5-50 kGy között változtattuk, a minták 30 tf.%-os DEGDMA monomerbıl és 70 tf.%-os MetOH-ból álló oldatok keverékébıl készültek. Ebben az esetben acetonitrillel mértük az átfolyási sebességet (18. ábra). Látható, hogy az átfolyási sebesség kis dózisoknál viszonylag nagy és a dózis növelésével csökken. 5 kGy dózis alatt a polimer mátrix mechanikai instabilitása nem elegendı a méréshez, a konverzió 90%-os (részletesebben a 4.1. fejezetben mutattam be). A monomer teljes átalakulása monolittá körülbelül 7 kGy-nél következik be (16. ábra), a keresztkötések mennyisége ekkor még elenyészı, a minta még lágynak mondható. A 20 és 40 kGy között besugárzott mintáknál a mátrix már eléggé erıs, hogy könnyen kezelhetı és az áramlási jellemzık alapján használható legyen. Az átfolyási sebesség 35 kGy körül éri el a minimumát, ezt követıen pedig, a hibahatáron belül állandónak mondható. 18. ábra jobb oldalán különbözı dózissal (5, 20, 30 és 50 kGy) besugárzott minta SEM képét tüntettem fel. Látható, hogy kis dózis esetén a pórusszerkezet még nem alakult ki, ez a keresztkötések kis számával és a térháló laza szerkezetével magyarázható. A dózis növekedésével a keresztkötések száma nı és ezzel egyidejőleg a pórusméret csökken (20 kGy-rıl 30 kGy-re növelve a dózist). A dózis változtatásával a polimerizáció és a térhálósodás mértéke szabályozható.


45

Az eredmények alapján a 30 kGy dózissal elıállított monolitokra esett a választás, mert ekkor a térhálósodás miatt jó mechanikai stabilitással és átfolyási tulajdonsággal rendelkezik a töltet és a konverzió minden esetben 100% közeli. Idõ [óra] 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5 O

0.32

3.0 O

O

O

O

0.28

2

Fluxus [ml/perc mm ]

3.5

0.24 0.20

5 kGy

20 kGy

30 kGy

50 kGy

0.16 0.12 0.08 0.04 0.00 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Dózis [kGy]

18. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a dózis változásának függvényében (bal oldali ábra); különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). 30 tf.% DEGDMA / 70 tf.% MetOH monolit minták. A monolitok különbözı dózisú besugárzással, 25 ºC-on, 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával készültek.

4.2.2. A dózisteljesítmény hatása a vázszerkezetre

A dózisteljesítmény változtatása egy másik eszköz arra, hogy a monolit pórusméretét szabályozzuk a kémiai összetételének változtatása nélkül. Ennek hatását is vizsgáltuk a 30 tf.%-os DEGDMA homopolimeren, az oldószer metanol volt, a dózisteljesítményt pedig 1-16 kGy/h között választottuk. Az átfolyási sebességet az eddigi mérésekhez hasonlóan acetonitril eluenst alkalmazva mértük, az eredményeket a 19. ábra szemlélteti. A 16 kGy/h dózisteljesítmény mellett a 30 kGy dózisú kezelés 1,85 órát, míg az 1 kGy/h 30 órát igényel. A nagyobb dózisteljesítménynél idıegység alatt több gyök keletkezik, rövid idı alatt gyorsabban térhálósodnak a láncok, de megnı a lánczáródás sebessége is, emiatt nagyobb pórusok keletkeznek, így nagyobb lesz az átfolyási sebesség. Hosszabb idejő besugárzásnál (kis dózisteljesítmény) a polimer láncok közötti keresztkötıdések sőrősége megszaporodik, így a polimer vázszerkezete sokkal erısebb, pórusai meg kisebbek lesznek, ezáltal az átfolyási sebesség is kisebb.


46

A pásztázó elektronmikroszkópos felvételeken (19. ábra jobb oldalán) látszanak a pórus felszínek szerkezetbeli különbségei, amelyek az átfolyási sebességeket is befolyásolják. A kis pórus méret eléréséhez kis dózisteljesítményt kell használni, míg nagy pórus méret biztosításához nagy dózisteljesítmény alkalmazása célszerő. Idõ [óra] 5

30 15 10 7,5 6 0.28

O

O

3,75

3

2,5

2,2 2

1,85

O O

O

2


0.24 0.20

2 kGy/h

0.16 0.12

.

0.08 0.04

16 kGy/h

0.00 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Dózisteljesítmény [kGy/h]

19. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a dózisteljesítmény függvényében (bal oldali ábra); különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). 30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% MetOH monolitok, a minták különbözı dózisteljesítménnyel besugározva, 25 ºC-on, 30 kGy dózis alkalmazásával készültek.

4.2.3. A hımérséklet hatása a vázszerkezetre

A γ-sugárzással iniciált polimerizációs reakciók bármely hımérsékleten elindíthatók (nincs iniciátor, melynek bomlása és reakció indítása a hımérséklet hatására történne). Ezért széles hımérséklet-tartományában lehet elıállítani ezeket a polimer monolitokat. A hımérsékletet 5-55 oC között változtattuk, az értéket ±2 oC pontossággal tudtuk tartani a besugárzás alatt. A DEGDMA monomer koncentráció 30 tf.%-os, a metanol oldószer 70 tf.%os, a dózis 30 kGy volt. A 20. ábra bal oldalán látható, hogy a besugárzási hımérséklet növekedésével a fluxus értékei növekednek. Míg 10 ºC-on csak 0,1 ml/perc mm2 az átfolyási sebesség, addig 50 ºCnál ez az érték a korábbi adat 2,5-szerese. Ez a pórusok térfogatának és méretének növekedésével magyarázható. Az ábra jobb oldalán két különbözı hımérsékleten elıállított minta pásztázó elektronmikroszkópos képei láthatók. Megfigyelhetı, hogy a kisebb hımérsékleten készült mintában a pórusok kisebbek, ez alátámasztja az átfolyási sebesség


47

vizsgálatánál tapasztaltakat (5 °C-os mintánál 0,15 ml/perc mm2, az 50 °C-os mintánál, pedig 0,3 ml/perc mm2 ). A polimer láncok sokkal könnyebben és gyorsabban mozognak nagyobb hımérsékleten, a térhálósodás gyorsabban végbemegy, de a kicsapódás is hamarabb bekövetkezik. Ugyanakkor, a növekedı hımérséklet a polimer oldódását is elısegíti. Ennek következtében nagyobb hımérsékleten a polimerizációs centrumok (magok) nagyobb molekulatömeggel rendelkezı polimer láncokból állnak, melyek nagyobb gömböcskék és közöttük nagyobb üregek kialakulását eredményezik [18,52,53]. Az átfolyási mérések ezt a feltételezést támasztják alá, az áramlási sebesség nı a besugárzás hımérsékletének növelésével. O

0.30

O

0.25

2


O O

O

5 oC

0.20

0.15

0.10

50 oC

0.05 0

10

20

30

40

50

60

o

Hõmérséklet [ C]

20. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a besugárzási hımérséklet függvényében (bal oldali ábra); különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). A 30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% MetOH monolitok, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával készültek.

A 20. ábra jobb oldalán a SEM felvételeken látható, hogy nagyobb hımérsékleten a monolit pórusai nagyobbak, a polimer váz struktúrája nem változik meg. Ez az eredmény egyezést mutat az átfolyási sebességnél tapasztaltakkal. Az elıállítás során feltérképeztük, hogy az egyes elıállítási jellemzık változtatásával milyen pórusmérető monolitokat lehet elıállítani. A dózis növekedésével a térhálósodás mértéke nı, így a monolitok pórusméretei csökkennek. A dózisteljesítmény növelésével a reakció sebessége nı, idıegység alatt több gyök keletkezik egyidejőleg, rövid idı alatt gyorsabban térhálósodnak a láncok, de megnı a lánczáródás sebessége is, emiatt nagyobb pórusok keletkeznek. A hımérséklet hasonló módon befolyásolja a pórusméret változását mint a dózisteljesítmény.


48

4.3. A monomerek koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre

A monomer(ek) koncentrációjának változtatása a legegyszerőbb módszer, hogy a pórusos polimer monolit vázszerkezetét és pórusméretét változtassuk. Az általunk kiválasztott monomernek (DEGDMA) két vinil csoportja van, ami γ-sugárzás hatására felszakad, és a monomereken képzett gyökök elindítják a polimerizációt [95]. A homopolimer esetén a nagy koncentráció kis pórust eredményez, míg a kopolimerek esetében mind nagy, mind kis pórusú polimert elı tudtunk állítani nagy monomerkoncentráció mellett. 4.3.1. DEGDMA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre

Vizsgáltuk, milyen összetételő monomer keveréket kell polimerizálni ahhoz, hogy széles nyomástartományban használható, egyenletes pórusméret eloszlással rendelkezı monolitot kapjunk. Ehhez elsı megközelítésben különbözı DEGDMA koncentrációjú oldatokat

alkalmaztunk

(5-50

tf.%-os

oldatok,

30

kGy

dózissal,

16

kGy/h

dózisteljesítménnyel besugározva). Az 21. ábra bal oldalán az átfolyási sebesség méréseinek eredményei láthatók (acetonitrilt használva eluensként). Kis DEGDMA koncentrációjú (5-15 tf.%) kiinduló oldat esetén, a teflon csıbıl a polimer kicsúszott, a polimerizáció nem eredményezett megfelelıen szilárd monolitot, mivel ebben a koncentráció tartományban a rendszer nem tartalmaz elegendı monomert ahhoz, hogy stabilis vázszerkezet alakuljon ki a besugárzás során. Ezeken a mintákon nem lehetett átfolyási sebességet mérni. Látható, hogy a monomer koncentráció növekedésével az átfolyási sebesség csökken, nagy koncentrációknál pedig nincs átfolyás. Nagy DEGDMA koncentráció esetén a polimer nagy mértékő térhálósodása miatt, a pórusok méretei olyan kicsik lesznek, hogy az eluens nem tud átfolyni a tölteten. A 21. ábra jobb oldalán a különbözı DEGDMA koncentrációjú polimerek pásztázó elektron mikroszkópos felvételei láthatók. A 10 tf.%-os monolit oldatból készült mátrix szerkezete laza, ebbıl adódóan a SEM elıkészítés alatt összezsugorodott a váz, nem láthatóak a nagy pórusok. A 20 tf.% és 50 tf.% közötti minták nem zsugorodnak, a megfelelıen szilárd váz jó átfolyási tulajdonságokkal, és pórusokkal rendelkezik. 50 tf.%-os DEGDMA koncentráció esetén egy szőkpórusú, nagy felszínnel rendelkezı váz alakul ki, amint ezt a kis átfolyási sebesség is igazol.


49

0.5 O

0.4

O O

2


O

O

0.3

10 tf.%

20 tf.%

35 tf.%

50 tf.%

0.2

0.1

0.0 20

25

30

35

40

45

50

55

60

DEGDMA koncentráció [tf.%]

21. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a DEGDMA koncentráció függvényében (bal oldali ábra); különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A 22. ábra különbözı monomer koncentrációval készült minták higany– porozimetriával mért pórusméret eloszlását mutatja. (Az ábra ordinátájának fizikai értelme: egységnyi nyomásváltozás hatására milyen pórustérfogatú pórusok töltıdtek fel higannyal.) A 20 tf.%-os koncentrációjú mintát 3 különbözı pórus méret jellemzi. A legtöbb makropórus ~ 3 µm-es mérető, de találhatók 30 µm méretőek is, a gázadszorpciós mérések 6,2 nm-es mezopórusok kialakulására is utalnak. Ahogy növeljük a koncentrációt, az átlagos pórusméret lassan növekszik, viszont a pórustérfogat csökken. 45 tf.%-os koncentrációnál viszont a tendencia már megfordul, a méret meredeken csökkenni kezd és eltőnik a 30 µm-es csúcs. 50 tf.%-os monomer koncentrációnál az átlagos pórusméret tovább csökken kb. 170 nm-ig. A pórusok térfogata csak töredéke a korábbiaknak. Ez alátámasztja az átfolyási sebesség esetében tapasztalható viselkedést: ugyan a pórusméret 40 tf.%-nál a legnagyobb, viszont a pórusok térfogata itt már közel a felére csökken, a 20 tf.%-os mintákhoz képest, ezért az átfolyási sebesség is kisebb. 50 tf.%-os monomer koncentrációnál pedig a kis számú, átlagosan 170 nm-es pórus nem engedi át az eluenst. A gázadszorpciós mérésekbıl meghatározott fajlagos felület (SBET) is látható az 5. táblázatban. A fajlagos felület is csökken a DEGDMA koncentrációjának növekedésével. Kivétel csak az 50 tf.%-os monolit. Itt a besugárzás során több növekedési mag képzıdik egymás közelében, ezáltal lecsökken a távolság a növekedésre hajlamos magok között, a kialakuló mátrixnak kisebbek lesznek a pórusai.


50

20 tf.% DEGDMA / 80 tf.% MetOH

9,0

30 tf.% DEGDMA / 70 tf.% MetOH 40 tf.% DEGDMA / 60 tf.% MetOH

7,5

45 tf.% DEGDMA / 55 tf.% MetOH 50 tf.% DEGDMA / 50 tf.% MetOH

dV/d(logP)

6,0

4,5

3,0

1,5

0,0 10

100

1000

10000

100000

Pórus méret [nm]

22. ábra: Különbözı DEGDMA koncentrációjú oldatokból készült minták pórusméret eloszlása (MetOH oldószer), melyek 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény mellett készültek.

Korábban már kimutatták [13], hogy a jobban térhálósított polimer monolitnak kisebbek a pórusai. A kisebb pórusméret pedig a felszín növekedésével jár. Az ilyen típusú monolitok, amelyek felszíne nagy, jól használhatók adszorbensként vagy katalizátorként. 5. táblázat: A minták pórusos tulajdonságai Átlagos pórusátmérıa**, SBETb, DEGDMA metanolban, Pórustérfogata*, 3 cm /g nm m2/g tf.% 10 3,7 20 2,46 2910 2,6 25 2,1 30 1,72 3540 1,7 40 1,27 3880 0,8 45 0,94 2520 0,8 50 0,69 170 11 a Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, b Gázadszorpcióval meghatározott értékek *A pórustérfogat definíció szerint az a folyadék térfogat, amellyel a pórusok a pórusfalat nedvesítı folyadékkal feltölthetık. Ezt a mennyiséget közvetlenül tudjuk mérni, nem kell semmilyen modell feltételezéssel élnünk. **Az IUPAC ajánlása szerint, ha a pórusátmérı < 2 nm, akkor mikropórusról, ha > 50 nm makropórusról, ha kettı közé esik, akkor pedig mezopórusról beszélünk. Az átlagos pórusátmérı annak feltételezésével definiálják, hogy a pórusátmérı eloszlása a normális eloszlást követi. Ilyenkor az átlagos pórusátmérı a Gauss-görbe maximumát jelenti. Gyakorlatban ez a feltételezés nem állja meg a helyét, mivel az eloszlás leggyakrabban kettıs (bimodális) vagy szabálytalan.


51

4.3.2. HEA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre

A pórusméret szabályozható a dózis, a hımérséklet és a dózisteljesítmény mellett a különbözı monomerek arányával is. A polimerek kémiai tulajdonságait változtatni lehet új monomer bevitelével a rendszerbe. A kísérletsorozat ezen részében a monolitok tulajdonságainak változását vizsgáltuk a ko-monomerek arányának változtatásával. 30 tf.% monomer koncentrációban a 2-hidroxietil-akrilát monomer mennyisége 2-20 tf.% között volt (DEGDMA monomer mellett), az oldószer 70 tf.% metanol, dózis 30 kGy. A 2-hidroxietil-akrilát (HEA) olyan monomer, ami lehetıvé teszi hidrofil tulajdonságú felület kialakítását a monolit pórusain, reakciója a következı: *

HEA

OH

+ O

O

O

O

O

O

+

O


+ O

HO

*

O

+

O

OH

O

*

MetOH

DEGDMA

(29)

O

O

O

+

O

OH

*

O

O

O

O


O

*

O O

O

O

O

HO O

polimerizáció

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

(30) O

O

O

O

O

O

O

O

O

O O

*

O

DEGDMA-ko-HEA

O

térhálós polimer kialakulása HO


52

A metanol jó pórusképzı oldószer a DEGDMA jó pórusképzı monomer [16,94]. Ezeket elegyítve a HEA-al olyan pórusos monolithoz jutunk, melynek hidrofil jellege a HEA mennyiségével szabályozató. Ugyanakkor a HEA arányának növelésével, a monolitban a lágy géles jelleget növelni lehet. A 23. ábrán látható a HEA monomer koncentrációjának növelésével az áramlási sebesség növekszik. Ez a növekedés két hatás együttes eredménye. A HEA koncentrációjának növekedésével a DEGDMA keresztkötı koncentrációja csökken tehát a monolitok vázszerkezete egyre lazább. A HEA jelenléte a monolit hidrofil jellegét erısíti, a pórusok felületén hidrogél jellegő felszín alakul ki, ezen a folyadék akadálytalanul tud áthaladni. A 20 tf.%-os HEA koncentráció felett az egész monolit lágy géllé alakul, és már nem használható kolonna töltetként (a HEA eltömíti a monolit pórusait és a váz szerkezet lazává válik). A pórusszerkezet és a felszín változása jól látható az elektronmikroszkópos felvételeken (23. ábra, jobb oldal). 18 tf.%-os HEA koncentrációig a minták jól meghatározott, növekvı pórusú monolitot mutatnak, de a 20 tf.%-os minta egésze lágy géllé alakul át, pórusok nem igazán fedezhetık fel (a gél száraz állapotban összezsugorodik, a pórusok eltőnnek). A HEA koncentráció megfelelı megválasztásával a kolonna töltet tulajdonságain javítani lehet. Nagyobb hidrofil hatásfok, nagyobb HEA koncentrációt követelne, de bizonyos érték fölött ezzel rontjuk az átfolyási tulajdonságokat. O

0.6

2


OH

O

0.5

0.4

0.3

4 tf.% HEA/metanol

12 tf.% HEA/metanol

18 tf.% HEA/metanol

20 tf.% HEA/metanol

0.2

0.1

0.0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

HEA monomer koncentráció [tf.%] DEGDMA mellett

20

22

23. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a HEA koncentráció függvényében (bal oldali ábra) 30 tf.% monomer + 70 tf.% MetOH; különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.


53

A 24. ábrán különbözı HEA monomer koncentrációval készült minták higany – porozimetriával mért pórusméret eloszlását láthatjuk. A két különbözı összetételő kopolimer monolit eltérı pórusszerkezettel rendelkezik. A kisebb HEA tartalmú kopolimert két pórusmérettel lehet jellemezni hasonlóan a homopolimerekhez. 0,007 30 tf.% DEGDMA/MetOH 18 tf.% HEA+12 tf.% DEGDMA/MetOH 5 tf.% HEA+12 tf.% DEGDMA/MetOH

0,006

10 9

BJH DVlog (d)

Nitrogén adszorpció

0,004

6 5

0,003

dV/d(logP)

7

4 0,002

Higany porozimetria

8 0,005

3 2

0,001 1 0 10000

0,000 100

1000

Pórus méret [nm]

24. ábra: Különbözı HEA tartalmú kopolimer monolitok pórusméret eloszlása (MetOH oldószer). A minták 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény mellett készültek.

Az 6. táblázatban három különbözı HEA tartalmú monolit fajlagos felületét és átlagos pórusátmérıjét foglaltuk össze. A rendszer kétféle makropórussal (114 nm és 4193 nm) rendelkezik. Ahogy növeljük a HEA arányát, az átlagos pórusméret növekszik, viszont az ezzel a mérettel rendelkezı pórustérfogat csökken. A 18 tf.%-os HEA koncentrációnál a monolit pórusméret eloszlása megváltozik, a pórusok méretei megnınek 4561 és 7595 nm-re de a kisebb pórusok nem változnak. A pórusok térfogata és fajlagos felülete pedig majdnem 50%-al csökken (6. táblázat). 6. táblázat: A HEA kopolimer minták pórusos tulajdonságai Pórus méreta

SBET b

[70 tf.%]

Pórustérfogata, cm3/g

[nm]

[m2/g]

Monomer

Oldószer

HEA[tf.%] DEGDMA [tf.%]

a

-

30

MetOH

2,15

3435

1,4

5

25

MetOH

2,5

4193

1,26

12

18

MetOH

-

-

1,3

18

12

1,4 4561 MetOH b Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, Gázadszorpcióval meghatározott értékek

0,68


54

4.3.3. NIPAAm koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre

A második kísérletsorozatban az elızı elvet követve, egy újabb monomert használva készítettünk kopolimereket, és azok pórusszerkezet változását vizsgáltuk. A 30 w.%-os monomer koncentrációban az N-izopropil-akrilamid (NIPAAm) monomer mennyiségét 2-20 w.% között változtattam (DEGDMA monomer mellett), az oldószer 70 w.% metanol, a dózis 30 kGy volt. A polimerizáció lehetséges lefutása a következı: *

OH

NIPAAm O

+ H N

O

O

O

NH


+

O

+ O

OH

O

*

MetOH

*

O

O

O

O

O


O

*

O O

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

HN

O

O

polimerizáció

O

O

O

+

O

DEGDMA

(31) O

O

+

O

*

O O

O

O

O O

O O

O

O O

*

HN

O

O

DEGDMA-ko-NIPAAm térhálós polimer kialakulása A NIPAAm monomerbıl készített hidrogélek és kopolimerek a pH, hımérséklet [9597], fény vagy elektromos tér változásának hatására, a permeabilitásukat és/vagy polaritásukat jelentısen megváltoztatják, válaszul a környezeti változásra (25. ábra).

(32)


55

A polimer láncba beépítve a NIPAAm monomer, a monolitok pórus méreteit tudja befolyásolni az elıbb említett környezeti hatások függvényében. Ezeket a rendszereket az irodalomban hızsilipként, és hıkapuként ismerik [63]. A NIPAAm „intelligens” viselkedésére való tekintettel vizsgáltuk a monomer hatását a monolit pórusszerkezetére. Az átfolyási sebesség értékei alapján (26. ábra) elmondható, hogy a NIPAAm koncentráció növekedésével a fluxus növekszik, majd 10-12 w.%-nál ez a növekedés megszőnik. A nagyobb koncentrációjú minták átfolyási sebességét nem lehet mérni, mert a rendszer lágy géllé alakul, mint ahogy azt a HEA monolitok esetében is tapasztaltuk (23. ábra).

hidrofil PIPAAm LCST alatt

hidrofób

PIPAAm LCST felett

monolit felszíne LCST alatt

LCST felett

25. ábra: NIPAAm vizes oldata LCST10 alatt, és LCST felett (bal oldali ábra) [98] NIPAAm láncok térfogat változása a hımérséklet hatására (jobb oldali ábra).

A váz pórusait olyannyira eltömíti a lágy gél, hogy azokon a folyadék nem képes áthaladni. A lágy géles jelleg megjelenését a 26. ábra jobb alsó képén láthatjuk. A 10 w.%-os NIPAAm monolit vázszerkezete még jól definiált, ahogy a monomer koncentrációját növeljük (20 w.%-ig) a pórusok eltőnnek és gél rendszert kaptunk. A NIPAAm beépülését a vázszerkezetbe jól mutatják a 27. ábra FTIR-DRIFT mérései. Maximális átfolyási sebesség a 10 w.%.-os NIPAAm kopolimernél található, így várható, hogy a spektrumában is itt fogjuk észlelni a legnagyobb eltérést a homopolimerhez képest. A FTIR felvételeken két új csúcs fedezhetı fel 1530 cm-1 és 1660 cm-1-nél. Ez a két csúcs kiegészíti egymást, nevezetesen az 1530 cm-1 a CNH rezgése a másik pedig az 1660 cm-1 csúcs a C=O rezgéshez rendelhetı. Tehát ez a két rezgés együttesen az O=CNH csoport jelenlétét mutatja a monomer felszínén (ez a csoport a NIPAAm-ban van). A 3300-3400 cm-1 tartományban az NH nyújtó rezgései találhatók. Ez csak a NIPAAm-os mintákban figyelhetı meg, persze különbözı intenzitással. Tehát a NIPAAm jelen van a polimer mátrix felületén. 10

LCST-(lower critical solution temperature) alsó kritikus oldódási hımérséklet


56

0.6

H N

CH3

0.5

CH3

5 w.% NIPAAm/metanol 10 w.% NIPAAm/metanol

0.3

0.2

0.1

0.0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

14 w.% NIPAAm/metanol 20 w.% NIPAAm/metanol

20

NIPAAm monomer koncentráció [w.%] DEGDMA mellett

26. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a NIPAAm koncentráció függvényében (bal oldali ábra) 30 w.% monomer + 70 w.% MetOH; különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt. DRIFT mérés 1660 1530

3300-3400

10 w.% NIPAAm

Intenzitás

2


O 0.4

5 w.% NIPAAm 2 w.% NIPAAm

1 w.% NIPAAm 30 w.% DEGDMA 3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

Hullámszám [cm ]

27. ábra: A DEGDMA homopolimer és különbözı NIPAAm tartalmú kopolimerek FTIR-DRIFT spektrumainak összehasonlítása. A minták 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény mellett készültek.

A 28. ábrán két különbözı NIPAAm monomer koncentrációval készült minta higany– porozimetriás mérésébıl kapott pórusméret eloszlás látható. A két különbözı koncentrációjú kopolimer monolit közel azonos pórusszerkezettel rendelkezik, pedig a NIPAAm koncentrációját a kétszeresére változtattuk.


57

Az 5:25 és 10:20 w.%-os monomer arányú oldatokból készült kopolimereket éles pórusméret eloszlással lehet jellemezni, hasonlóan a homopolimerhez, bár a homopolimer pórustérfogata 10 %-al nagyobb (7. táblázat). Ez a különbség mutatja azt, hogy a kopolimer felületét ha kis mértékben is de befolyásolja (csökkenti) a NIPAAm monomer megjelenése a vázszerkezetben.

10

30 w.% DEGDMA/MetOH 5 w.% NIPAAm+25 w.% DEGDMA/MetOH 10 w.% NIPAAm+20 w.% DEGDMA/MetOH

9 8

6 5

dV/d(logP)

7

4 3 2 1

100

0 10000

1000

Pórus méret [nm]

28. ábra: Különbözı NIPAAm tartalmú kopolimer monolitok pórusméret eloszlása (MetOH oldószer). A minták 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény mellett készültek.

Ahogy az arányt 5:25 w.%-rıl 10:20 w.%-ra növeljük, a pórusok mérete csak 3%-al nı, a pórus térfogata pedig 40%-al csökken. Tehát a higany-porozimetriás adatok alapján ugyanarra a következtetésre

lehet jutni,

mint az átfolyási sebesség alapján,

a NIPAAm

koncentrációjának növelésével egyre nagyobb pórusú monolitot tudunk készíteni. 7. táblázat: A NIPAAm kopolimer minták pórusos tulajdonságai Pórus méreta

SBET b

[70 w.%]


[nm]

[m2/g] 1,4

Monomer

Oldószer

NIPAAm [w.%] DEGDMA [w.%]

a

-

30

MetOH

2,15

3435

5

25

MetOH

1,95

3957

10

20

1,16 4062 MetOH b Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, Gázadszorpcióval meghatározott értékek


58

4.3.4. BMA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre

A harmadik kísérletsorozatban is a monolitok tulajdonságainak változását vizsgáltuk: a 30 tf.% monomer együttes koncentrációban a butil-metakrilát (BMA) monomer mennyiségét 2-26 tf.% között változtattuk, az oldószer 70 tf.% metanol, a dózis 30 kGy volt. A BMA monomer felhasználásával hidrofób felülető monolitot lehet készíteni. Ez az új kémiai felület kiegészítıje lehet a már eddig használt kromatográfiás módszereknek: ion cserés, fordított fázisú, affinitás és méretkizárásos technikáknak [87,88,101-103]. A polimerizáció lehetséges lefutása a következı: *

OH

+ O

O O

O


+

O

+

BMA

O

*

(33)

O

+

O

OH

O

MetOH

DEGDMA

O

O

O

+

O

*

O

O

*

O

O

O

O


*

O O

O

O

O

polimerizáció

O

O

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O O

O

O

*

DEGDMA-ko-BMA

O

(34)

O

O

térhálós polimer kialakulása O O

O


59

A 29. ábra bal oldalán látható a BMA koncentráció változás hatására bekövetkezı fluxus változást. A BMA monomer arányát növelve a DEGDMA monomerhez képest, a monolit hidrodinamikai tulajdonságai látványosan megváltoznak. A BMA monomer mennyiségének növelésével egyre nagyobb lesz az átfolyási sebesség, tehát a pórusok méretei nınek. A 26 tf.%-nál nagyobb BMA monolitokban a DEGDMA olyan kis hányadban van jelen a polimer vázban, hogy azok a rendszerek már nem alkalmasak átfolyási sebesség mérésre. A morfológiai felvételeken jól látható (29. ábra, jobb oldal), hogy nem csak a pórusok méretei növekednek, ahogy növeljük a BMA arányát a DEGDMA-hoz képest, hanem a monolit váz struktúrája is megváltozik. Az ilyen típusú szerkezetekben a DEGDMA koncentrációja nagyon kicsi, így kisebb a térhálósodás mértéke, a szerkezet lazábbá válik. 2.5

2


O 2.0

O

1.5

5 tf.% BMA/metanol

18 tf.% BMA/metanol

1.0

0.5

0.0 0

5

10

15

20

25

30

24 tf.% BMA/metanol 26 tf.% BMA/metanol

BMA monomer koncentráció [tf.%] DEGDMA mellett

29. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a BMA koncentráció függvényében (bal oldali ábra) 30 tf.% monomer + 70 tf.% MetOH; különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A 30. ábrán különbözı BMA monomer koncentrációval készült minták higany– porozimetriával és nitrogén adszorpcióval mért pórusméret eloszlásokat láthatunk. A két különbözı koncentrációjú kopolimer monolit eltérı pórusszerkezettel rendelkezik, mint ahogy azt tapasztaltuk a SEM képeken is (29. ábra). Az 5 tf.%-os BMA kopolimer pórusszerkezete hasonló a homopolimerhez, egy viszonylag éles csúccsal lehet jellemezni. A monolit pórusmérete 25%-al nı, ha a polimer vázhoz 5:25 tf. arányban BMA monomert adunk. A pórusméret közel háromszorosára növekedett, amikor a rendszer 26:4 tf. arányú BMA monomert tartalmazott, a pórustérfogat pedig a kétszeresére nıtt (8. táblázat). A 26 tf.%-os BMA monolit pórusai olyan nagyok, hogy a higany–porozimetria felsı mérési határán túl van, így csak feltételezni lehet ennek a rendszernek a pórus méretét. A nitrogén adszorpciós mérésekbıl számított pórusméret eloszlása a kisebb pórusoknál változik, ahogy a BMA


60

arányát növeljük a kopolimerben. A 26 tf.%-os BMA rendszerben a mezopórusok közel 50%al csökkenek, az 5 tf.%-os BMA monolithoz képest. A nagyobb BMA arányú kopolimerekben a nagyobb makropórusok határozzák meg az áramlási tulajdonságokat. 0,006

30 tf.% DEGDMA/MetOH 5 tf.% BMA/25 tf.% DEGDMA/MetOH 26 tf.% BMA/ 4 tf.% DEGDMA/MetOH

0,005

10

BJH DVlog (d)


4

0,002

dV/d(logP)

6

0,003

Higany porozimetria

8

0,004

2

0,001

0 10000

0,000 100

1000

Pórusméret [nm]

30. ábra: Különbözı BMA tartalmú kopolimer monolitok pórusméret eloszlása (MetOH oldószer). A minták 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény mellett készültek.

8. táblázat: A BMA kopolimer minták pórusos tulajdonságai Monomer

Oldószer

Pórus méreta

SBET b

[nm]

[m2/g]

BMA [tf.%]

DEGDMA [tf.%]

[70 tf.%]


-

30

MetOH

2,15

3435

1,4

5

25

MetOH

2,08

4299

0,66

26

4

4 9491 MetOH a Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, b Gázadszorpcióval meghatározott értékek

0,25

4.3.5. GMA koncentrációjának hatása a pórusszerkezetre

A 30 tf.% monomer koncentrációban a glicidil-metakrilát (GMA) monomer aránya 220 tf.% között volt, az oldószer pedig 70 tf.%, a dózis 30 kGy. Az így elıállított monolit felszíne epoxi – funkciós csoportokat tartalmaz. A polimerizáció lehetséges lefutása a következı:


61 *

OH

+

O

O

O

O O

*

O O

+

O

O

O

*

O

+

O

(35)

+

O

OH

O

*

MetOH

DEGDMA

+

O

GMA O

O


O

O

O

O

gyökképzıdés a monomereken és az oldószereken O

*

O O

O

O O

O

O

O

polimerizáció

O

O

O

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

(36)

O

O

*

DEGDMA-ko-GMA

térhálós polimer kialakulása

O

O O

Az epoxi csoport stabilis, besugárzáskor nem bomlik. Ezt FTIR mérésekkel ellenıriztük: a kopolimer spektrumában a 410 cm-1-nél és 910 cm-1-nél elnyelési sávokat észleltünk, melyek az epoxi csoportokhoz rendelhetık. A térhálósodás sebessége és a térbeli elrendezıdés is változik a DEGDMA és GMA egymáshoz viszonyított arányának változásával. A 31. ábrán 2-20 tf.% közötti GMA koncentrációval elıállított monolit rendszerek átfolyási sebesség értékei láthatók. A fluxus a GMA monomer koncentrációjának növekedésével csökken, ez a pórus méret csökkenését eredményezi a monolitokban.


0.24

O

O

0.21

O

2


62

0.18

5 tf.% GMA/metanol

12 tf.% GMA/metanol

18 tf.% GMA/metanol

26 tf.% GMA/metanol

0.15

0.12

0.09

0.06 0

5

10

15

20

25

30

GMA monomer koncentráció [tf.%] DEGDMA mellett

31. ábra: Acetonitril átfolyási sebességének alakulása a GMA koncentráció függvényében (bal oldali ábra) 30 tf.% monomer + 70 tf.% MetOH; különbözı monolit minták SEM felvételei (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

Az elektronmikroszkópos felvételeken (31. ábra jobb oldala) látható, hogy a GMA koncentrációjának növelésével a pórusok méretei csökkennek. A monolit felületének struktúrája nem változik. A 32. ábra különbözı DEGDMA ko-GMA minták higany–porozimetriával mért pórusméret eloszlását mutatja, nitrogén adszorpciós mérésekkel kiegészítve. A három különbözı koncentrációjú GMA monolit közel azonos pórusszerkezettel rendelkeznek. Az 5 és 20 tf.% – os kopolimerek és a DEGDMA homopolimer pórusmérete között nagyon kis különbséget tudunk felfedezni. Ahogy növeljük az epoxi csoport koncentrációját, az átlagos pórusméret csökken, amit már tapasztaltunk az átfolyási sebesség méréseknél. A 9. táblázatban négy különbözı GMA:DEGDMA arányú monolit fajlagos felületét és átlagos pórusátmérıjét foglaltuk össze. Az 50 nm alatti pórusok pórusátmérıje alig változik a GMA monomer koncentrációjának növekedésével. A fajlagos felület és a pórus térfogat csökkenések a GMA koncentrációjának növekedésével arra utal, hogy mind a mezo- mind a makropórusok mennyisége csökken, így kisebb pórusú monolitokat tudunk elıállítani.

Mérési eredmények és azok értékelése 0,007

0,005 6

0,004 0,003

4

Higany porozimetria

8

dV/d(logP)

BJH DVlog (d)

10

30 tf.% DEGDMA/MetOH 5 tf.% GMA+25 tf.% DEGDMA/MetOH 20 tf.% GMA+10 tf.% DEGDMA/MetOH 28 tf.% GMA+2 tf.% DEGDMA/MetOH

0,006


63

0,002 2

0,001 0 10000

0,000 100

1000

Pórus méret [nm]

32. ábra: Különbözı GMA tartalmú kopolimer monolitok pórusméret eloszlása (MetOH oldószer). A minták 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény mellett készültek. 9. táblázat: A minták pórusos tulajdonságai Monomer

Oldószer

Pórus méreta

SBET b

[nm]

[m2/g]

GMA [tf.%]

DEGDMA [tf.%]

[70 tf.%]


-

30

MetOH

2,15

3435

1,4

5

25

MetOH

2,1

3720

-

10

20

MetOH

-

-

1,46

20

10

MetOH

2,31

3434

1,86

28

2

1,98 2845 MetOH a Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, b Gázadszorpcióval meghatározott értékek

1,56

A GMA epoxi csoportja megfelelı funkciós csoport proteinek kovalens megkötéséhez [104]. Ehhez elsıként a GMA epoxi csoportjának győrőfelnyílása szükséges, amit el lehet érni a dietilamin ojtásával a polimer láncra hı- vagy gamma sugaras iniciálással. Mi mind a két inicálással elvégeztük a reakciót, a felület módosítását pedig FTIR mérésekkel ellenıriztük. A dietilamin kötıdését a GMA-hoz vasszulfát oldattal is ellenıriztük, mivel a monolit fehér felszine kékké változik a szulfát oldat hatására. Ezzel a felület módosítási eljárással megmutattuk, hogy lehetıség van az új módszer ötvözésére a hagyományos módszerrel.


64

4.4. A pórusképzı oldószer(ek) hatása a pórusszerkezetre

A

pórusformáló

oldószer(ek)

kulcsfontosságú(ak)

a

monolitok

pórusos

tulajdonságainak kialakításában, a kémiai összetétel módosítása nélkül tudunk pórusméret változást eszközölni a polimer vázban. Mivel a szintézis bármilyen hımérsékleten elvégezhetı, az oldószerek széles palettáján lehet válogatni, beleértve azokat az oldószereket is amelyek alkalmatlanok a hagyományos – nagy hımérséklető vagy fotoiniciált – polimerizációs eljárásokhoz. Ilyen oldószer az alkohol, amely olcsó és könnyen beszerezhetı. Látni fogjuk, hogy a homopolimerek esetében, amikor alkoholt használunk nagyobb pórusú monolitokhoz jutunk, mint amikor acetont, acetonitrilt, etilacetátot vagy tetrahidrofuránt alkalmazunk a pórus kialakításához. Az utóbbi esetben olyannyira kicsik a pórusok, hogy azokon átfolyási sebességet nem is lehet mérni, így ezek a rendszerek nem alkalmazhatók kromatográfiás célokra. A kopolimereknél is hasonló eredményeket kaptunk alkohol pórusképzı hatására, mint a homopolimerek esetében. Az aceton, acetonitril, etilacetát, tetrahidrofurán oldószereket kopolimerek esetében részletesen nem vizsgáltuk, mivel az így elıállított rendszereket elızetes vizsgálataink alapján alkalmatlannak találtuk az általunk kiválasztott folyadékkromatográfiás felhasználási módra. 4.4.1. Egy oldószer felhasználásával készült monolitok 4.4.1.1. Egy oldószer felhasználásával készült homopolimerek

Ebben a kísérlet sorozatban a különbözı oldószerek pórusképzı hatását mutatom be. A 33. ábra bal oldalán a 30 w.%-os DEGDMA (homopolimer) konverziója látható különbözı alkoholos oldószerek jelenlétében, az ábra jobb oldalán pedig, más szerves oldószerekkel elıállított monolitok konverziója látható, 30 kGy dózisú besugárzást alkalmazva. A monolit váz kialakulása (100%-os konverzió) közel fél óra alatt végbemegy az alkoholok esetében 16 kGy/h dózisteljesítménnyel, míg a többi szerves oldószereknél ez az idı több mint 1 óra. A különbözı oldószerek oldhatósági paraméterük (δ), polaritásuk és viszkozitásuk (η) alapján más-más módon befolyásolják a polimerizációt és a vázszerkezet kialakítását (10. táblázat).

65

100

80

80

Konverzió [%]

100

60

40

20

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

60

40

20

30 w.% DEGDMA/70 w.% MetOH, η=0,9092 mPas 30 w.% DEGDMA/70 w.% EtOH, η=1,4033 mPas 30 w.% DEGDMA/70 w.% PrOH, η=2,0735 mPas 30 w.% DEGDMA/70 w.% ButOH,

0

30 w.% DEGDMA/70 w.% etilacetát, η=0,9384 mPas 30 w.% DEGDMA/70 w.% aceton 30 w.% DEGDMA/70 w.% acetonitril

0 22

0

2

4

6

Dózis [kGy]

8

10

12

Dózis [kGy]

14

16

18

20

22

33. ábra: DEGDMA monomer konverziója különbözı oldószerekben. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

Az alkoholok oldhatósági paraméteri távol esnek a DEGDMA monomer oldhatósági paraméterétıl (δ=9,8 Η), így a teljes polimer váz kialakításához kevesebb idı szükséges, a fázisszétválás elıbb indul el az oldatban. Így az új fázis a monomerekkel duzzad, mert ezek termodinamikailag jobb oldószerei a polimernek, mint az oldószer.

Oldhatósági paramétera [H]

Dinamikus viszkozitásb 20oC [cP]

Polaritás indexc

Oldószer

10. táblázat: A felhasznált oldószerek oldhatósági paraméterei, polaritásuk és viszkozitásuk. Oldószer

Konverzió [%]


Oldhatósági Dinamikus paramétera viszkozitásb [H] 20oC [cP]

MetOH 16.1 0.59 5,1 Ac. 10,1 0,32 EtOH 13.4 1.2 5.2 Acnit. 12,5 0,39 PrOH 12.3 2.2 3,9 Etilac. 9,1 0,42 ButOH 11.5 2.9 THF 9,4 0,48 a http://www.pirika.com/chem/TCPEE/SP/ourSP.htm b Reanal honlapja; c http://www.chemical-ecology.net/java/solvents.htm

Polaritás indexc

5,1 5,8 4,4 4

A duzzadás következtében a monomerek lokális koncentrációja a megduzzadt „gél” magokban nagyobb, mint a környezı oldatban, ezért a polimerizáció elsısorban ezekben a magokban folyik tovább, és nem az oldatban. Az oldatban képzıdı újabb magokat, elnyelik a korábban több mag összeolvadásából képzıdött „elı-gömbök”, amelyek mérete tovább növekszik. Összességében az ebben a rendszerben képzıdı gömbök nagyobbak, és így a közöttük levı üregek is megnınek [12]. Az alkoholok rossz oldószerei a monomereknek, a viszkozitásuk nı metanoltól a butanol felé haladva, míg a polaritásuk ugyanebben az irányban csökken.


66

A pórusméret-eloszlás eltolódása a kisebb értékek felé (34. és 35. ábrák) „jobb” oldószer hozzáadásakor érthetı, ha figyelembe vesszük, hogy a fázisszétválás ebben az esetben a polimerizáció késıbbi szakaszában megy végbe, amikor már a kereszkötések kialakulása határozza meg a szétválást. Ahogy egyre jobb oldószert alkalmazunk, a „jó” oldószer versenyez a monomerekkel a magok oldásában, így a monomerek lokális koncentrációja kisebb, és így a gömbök kisebbek. Ezért a jobban szolvatáló oldószerekkel készült polimerek pórusai kisebbek [11]. Így a pórusképzı oldószer a polimerláncoknak a polimerizáció korai szakaszában történı szolvatációja révén szabályozza a monolit pórusos tulajdonságait.

4 kGy/metanol

4 kGy/propanol

4 kGy/acetonitril

4 kGy/aceton

10 kGy/metanol

10 kGy/propanol

10 kGy/acetonitril

10 kGy/aceton

34. ábra: DEGDMA monomer konverziójának SEM felvételei. A besugárzás 25 ºC-on, 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A morfológiai felvételeken (34. ábra) látható, az alkoholok és a többi szerves oldószer pórusszerkezetre gyakorolt hatása. A két különbözı oldószer csoport hatása szembetőnı már kis dózisnál is. Míg az alkoholok estében a monolit pórusos szerkezete jól látható, addig az egyéb oldószerek esetében a pórusos szerkezetet felváltja egy összefüggı felület. Nagyobb dózisoknál is megmarad a különbség, az acetonitril és aceton oldószerekben nagyon apró pórusok alakulnak ki, míg alkoholos oldószerben a pórusszerkezet 30 kGy-hez hasonló, bár a váz merevségében és a pórusok méreteiben különbség tapasztalható. A higany–poroziméterrel kapott pórusméret eloszlás egy viszonylag keskeny csúcsot ad az átlagos pórusméret körül, ez mellett még két kisebb csúcs található a nagyobb pórusméret oldalán. Ahogy azt a metanolnál kapott eredményeknél láthatjuk az átlagos pórusátmérı 3,5 µm, de emellett kisebb mennyiségben 13 µm-es pórusok is kialakulnak. Csökkenı tendencia figyelhetı meg a csúcsmagasságban, ahogy az alkoholok oldhatósági


67

paraméterei csökkenek, a viszkozitásuk pedig nı. Az etanol oldószerben készült monolitok 3,5 µm makropórus méretei majdnem a felére csökkenek, míg a propanolos és butanolos minták esetében ez a csökkenés majdnem a harmada a metanolos mintákénak. A metanolos mintát kivéve – ami bimodális eloszlású - mindegyik görbe trimodális eloszlású (1,8 µm; 3 µm; 13 µm), nagyobb pórusok is megtalálhatóak a mintában csak sokkal kisebb arányban. A gázadszorpciós mérések szerint a mikropórusok térfogata nı az oldószer váltás hatására.

metanol etanol propanol butanol etilacetat

8

dV/d(logP)

7 6 5 4 3 2 1 0 10

100

1000

10000

100000

1000000

Pórus méret [nm]

35. ábra: 30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% különbözı oldószerekkel készített minták pórusméret eloszlása. A minták 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 16 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával.

A gázadszorpciós mérések alapján (11. táblázat) a nagyobb fajlagos felülettel rendelkeznek az etilacetát és aceton oldószerrel készült minták, amit a szakirodalomban „jó” oldószernek neveznek. A kisebb pórusmérettel, de nagyobb felszínnel rendelkezı monolitok a jövıben várhatóan jól használhatóak adszorbensként vagy katalizátorként.

11. táblázat: A minták pórusos tulajdonságai Átlagos pórusátmérıa, Pórustérfogata, 3 cm /g nm MetOH 1,72 3540 EtOH 2,91 1910 PrOH 1,81 1340 ButOH 1,74 1270 Etilac. 1,21 85 Ac. a Higany poroziméterrel mért adatok, b Gázadszorpcióval meghatározott adatok Oldószerek

SBETb, m2/g 1,7 2,4 3,5 4,9 24,2 67,7


68

4.4.1.2. Egy oldószer felhasználásával készült kopolimerek

A 36. ábrán a kopolimerek esetében csak az alkoholok hatását mutatjuk be, mivel a többi szerves oldószerekkel elıállított monolitok nem használhatóak átfolyó rendszerben (a nagyon kis pórus nem teszi lehetıvé a fluxus mérését). A kopolimerek esetében a teljes konverzió 2 óra alatt végbement, mindegyik esetben. Az alkoholok hatása a polimer váz kialakításában mind a négy esetben hasonló.

100

80

Konverzió [%]

Konverzió [%]

100

60

40

80

60

40

20

20

12 w.% HEA+18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% HEA+18 w.% DEGDMA / 70 w.% EtOH 12 w.% HEA+18 w.% DEGDMA / 70 w.% PrOH

0 0

5

10

15

20

25

12 w.% NIPAAm / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% NIPAAm / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% EtOH 12 w.% NIPAAm / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% PrOH

0 0

30

5

10

20

25

30

Dózis [kGy]

Dózis [kGy] 100

100

Konverzió [%]

Konverzió [%]

15

80

60

40

80

60

40

20

12 w.% BMA + 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% BMA + 18 w.% DEGDMA / 70 w.% EtOH 12 w.% BMA + 18 w.% DEGDMA / 70 w.% PrOH

0

20

12 w.% GMA / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH 12 w.% GMA / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% EtOH 12 w.% GMA / 18 w.% DEGDMA / 70 w.% PrOH

0 0

5

10

15

Dózis [kGy]

20

25

30

0

5

10

15

20

25

30

Dózis [kGy]

36. ábra: A kopolimerek konverziója különbözı oldószerekben. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A legmeredekebb felfutást a 2-propanol adja, ezt követi az etanolos rendszer, majd a metanolos. Általában nagyobb pórusokat kaphatunk, ha „rosszabb” oldószert használunk, a fáziselkülönülés korábbi megindulása miatt [11,13]. Ha csak az alkoholokat vizsgáljuk, és közöttük állítunk egy rangsort aszerint, hogy melyiknek mekkora az oldhatósági paramétere a sorrend: δMetΟΗ > δEtΟΗ > δPrΟΗ. Tehát az alkoholok között a mi szempontunkból legjobb


69

oldószernek a PrOH mondható, mivel ennek az oldószernek van a legközelebb az oldhatósági paramétere a DEGDMA oldhatósági paraméteréhez. A PrOH oldószer a monolit pórusos tulajdonságait úgy szabályozza, hogy oldja a polimer láncokat a reakcióközegben a polimerizáció korai szakaszában. Így a polimer kezdemények kisebb méretőek, de nagyobb a számuk, több polimerizációs centrum jön létre. Ezzel magyarázható, hogy kis dózisoknál is a legmeredekebb konverzió felfutása a PrOH-al készült monolitoknak van. A késıbbi elıállításokra itt is a 30 kGy-es dózist választottam, mert bármelyik rendszert is vizsgáljuk a konverzió teljes, és a váz szerkezet megfelelıen stabilis az átfolyási sebesség mérésekhez. A 37. ábrán homopolimer és kopolimerek alkoholos oldatban készült mintáin mért fluxusokat mutatjuk be. Mivel az oldószerek és komonomerek kulcsfontosságú szerepet töltenek be a pórusok kialakításában és a felszín kémiai tulajdonságának formálásában, érdemes megvizsgálni ezek kettıs hatását. A metanol (δMetΟΗ =16,1 Η) esetében a ko-BMA a legnagyobb átfolyási sebességgel rendelkezı rendszer, míg a legkisebb a ko-GMA. Ez a különbség mindvégig megmarad a különbözı alkoholok használata során. 30 tf.% DEGDMA / 70 tf.% oldószer 18 tf.% HEA / 12 tf.% DEGDMA / 70 tf.% oldószer 18 tf.% BMA / 12 tf.% DEGDMA / 70 tf.% oldószer 18 tf.% GMA / 12 tf.% DEGDMA / 70 tf.% oldószer

0,6

2

Fluxus [ml/ perc mm ]

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0 11

12

13

14

15

16

Oldhatósági paraméter [H]

37. ábra: Homopolimereken és kopolimereken mért fluxusok különbözı oldószerekben. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

Ez a kísérlet sorozat azért nagyon fontos, mert a LC töltetek méréseikor a sikertelen elválasztások egy lépésben javíthatóak voltak az által, hogy ismertük milyen hatással van az oldószer a pórusszerkezetre a kopolimerek esetében és így gyorsan el tudtuk végezni a módosítást. (Természetesen a kopolimerek esetében nem csak a pórusszerkezet változtatása volt a cél, hanem a monolit felületének változtatása kémiai úton, ami szintén hozzájárulhat az elválasztás sikeréhez.) A NIPAAm kopolimer rendszernél is ugyanolyan hatást figyeltünk


70

meg az oldhatósági paraméter csökkenésével, mint a többi kopolimer esetében (csökkenı fluxus), azonban csak maximum 12:18 tf.%-os (NIPAAm:DEGDMA) monolitokat lehetett elıállítani. A 38. ábrán különbözı oldószerekkel elıállított kopolimer monolitok morfológiája látható. Az átfolyási sebesség méréseinél tapasztaltakat a SEM felvételek is alátámasztják. A PrOH mintáknál a nagyobb pórus a BMA rendszerhez, míg a kisebb pórus a GMA kopolimerhez tartozik, ezzel is egyezést mutatva a 37. ábrában bemutatott fluxus alapján levonható következtetésekkel. 18 tf.% BMA

18 tf.% HEA

18 tf.%GMA

metanol

metanol

metanol

etanol

etanol

etanol

propanol

propanol

propanol

38. ábra: A kopolimerek morfológiai felvétele különbözı oldószerekben. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A kopolimereknél az alkoholok oldhatósági paraméterének csökkenésével egyre kisebb pórusú monolitokat lehet elıállítani. A pórusméret BMA
Az elızı fejezetben láthattuk, hogy egy oldószer felhasználásával az alkoholok alkalmazásával makropórusú polimereket, más szerves oldószerekkel pedig mikropórusú


71

monolitokat lehet elıállítani. A mikropórusú monolitok sajnos nem alkalmasak folyadék áramoltatására. Ezt a tulajdonságot viszont tompítani lehet, ha a mikropórusképzı oldószer mellé alkoholokat is teszünk a rendszerbe. Az alkoholok jelenléte nagyobb pórusú polimert hoz létre. A következı fejezetben ilyen típusú monolitokat fogok bemutatni. 4.4.2.1. Etilacetát/alkohol oldószerrel készült homopolimer monolitok

A 4.4.1.1. fejezetben láthattuk, hogy jó oldószer használatával nagyon kis pórusokat tudunk kialakítani a monolitban és a monolit nem alkalmas átfolyási rendszerben történı felhasználásra. Ha mikropórusképzı oldószer mellett makropórusképzı oldószert is használunk, a polimer pórus méretei megnınek, és a rendszer használható kolonnaként. A 39. ábra homopolimerekbıl (30 tf.% DEGDMA) készített monolitok konverzióját mutatja a dózis függvényében. Itt a mikropórusképzı oldószer az etilacetát, míg a makropórusképzı a metanol. Ha az etilacetát arányát növelem a metanolhoz képest, a konverzió megnı, gyorsabb a fázisszeparáció már kis dózisnál is, ami az etilacetát mikorpórusképzı hatását mutatja. Az oldhatósági paraméter ebbe az irányba csökken, tehát egyre jobb oldószere lesz a DEGDMA-nak az oldószer keverék. Az etilacetát/metanol oldószerek és a monomer ismét verseng a kialakuló magok oldásában. A teljes átalakulás 1,5 óra alatt végbemegy mindegyik esetben.

Konverzió [%]

100

80

60

40

35 w.% metanol + 35 w.% etilacetát 53 w.% metanol + 17 w.% etilacetát 17 w.% metanol + 53 w.% etilacetát 70 w.% metanol

20

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Dózis [kGy]

39. ábra: A DEGDMA konverziója különbözı metanol/etilacetát oldószer arányokban. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 10 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

Két oldószer használatakor az átfolyási sebesség maximumot ad kb. 20-25 tf.%-os etilacetát keveréknél (40. ábra bal oldala). A metanollal készült minták pórusai a


72

legnagyobbak a 0-30 tf.% tartományban a másik két alkoholhoz képest. Ezt a porozimetriás adatok is alátámasztják. (Táblázatosan összefoglalva: 8. mellékletben, 15. táblázat.) Ahogy az oldószer keverék egyre jobb oldószere lesz a monomernek (MetOH rossz oldószer, PrOH jobb oldószer), egyre kisebbek lesznek a pórusok, ami az átfolyási sebesség csökkenését eredményezi. metanol etanol 2-propanol

Átlagos pórus átmérõ [nm]

2


0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

metanol etanol 2-propanol

6000

4000

2000

0 0

10

20

30

40

50

60

0

Etilacetát [tf.%] alkohol mellett

10

20

30

40

Etilacetát [tf.%] alkohol mellett

40. ábra: 30 tf.% DEGDMA + 35 tf.% etilacetát + különbözı alkohollal készített minták fluxusa (bal oldali ábra). Átlagos pórusátmérı (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 10 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

Az átfolyási sebesség alapján azt hihetnénk, hogy a 25-35 tf.% között a PrOH és EtOH pórusos tulajdonságai felcserélıdnek. Ha viszont a pórusméreteket megnézzük, az EtOH-al készült minta átlagos pórus átmérıje nagyobb, mint a PrOH-al készültté. Az utóbbi rendszer több mikropórussal rendelkezik, ami növeli a csatornák számát. Nagyobb felszín nagyobb átfolyási sebességet fog adni. Látható, hogy az átfolyási sebesség csak tájékoztató mérésül szolgál ilyen esetekben. Mind a három mérésre elmondható, hogy 40% és a fölött a rendszer olyan kis pórusokat tartalmaz, hogy átfolyási sebességet nem lehet mérni a monolit rendszereken. Az etilacetát tf.%-osan nagyobb arányban lesz a MetOH-hoz képest, ezért az etilacetát tulajdonságait nem tudja kompenzálni ekkora koncentrációban. A SEM felvételeken ezeknek a rendszereknek a morfológiáját lehet nyomonkövetni (41. ábra). Minél „jobb” oldószer keveréket használunk a jó pórusos jelleg annál tovább megmarad, még akkor is ha a mikropórusképzı oldószer (itt az etilacetát) nagyobb koncentrációban van jelen az oldószer keverékben. A 25 tf.%-os MetOH mintánál nagyon


73

apró pórusú monolitot tudtunk elıállítani, ugyan ilyen árányú EtOH és PrOH mintáknál, a pórusos szerkezet jónak mondható és nagyobb pórusok alakíthatóak ki.

30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA + 21 tf.% Etilac. + 49 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDM + 20 tf.% Etilac. + 50 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Etilac. + 50 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Etilac. + 25 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Etilac. + 25 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Etilac. + 25 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% Etilac.

41. ábra: A DEGDMA-ból készített monolit morfológiai felvételei különbözı alkohol/etilacetát oldószer arányok esetén. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

4.4.2.2. Acetonitril/alkohol oldószerrel készült homopolimer monolitok

Az acetonitril mint mikropórusképzı oldószer nem viselkedik nagyon másképp, mint az

elıbb

bemutatott

etilacetát

oldószer.

A

különbözı

koncentrációban

készített

MetOH/acetonitril monolitoknak, (42. ábra) 10 kGy dózis felett a konverziója már teljes. A 35


74

w.%-os minta konverziója a legmeredekebb lefutású és ezt követi a nagyobb arányban acetonitrilt tartalmazó keverék. Az acetonitrillel készült monolit minták átfolyási sebességei hirtelen változást mutatnak 15 – 20 tf.%-nál (43. ábra). A bináris elegyben, ahogy egyre jobban közelít az alkohol keverék oldhatósági paramétere a DEGDMA oldhatósági paraméteréhez a polimerizáció egyre kisebb pórusokat hoz létre, mivel az oldószer jó közegnek bizonyul a monomerre nézve. 100

Konverzió [%]

80

60

40

35 w.% metanol + 35 w.% acetonitril 53 w.% metanol + 17 w.% acetonitril 17 w.% metanol + 53 w.% acetonitril 70 w.% metanol

20

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Dózis [kGy]

42. ábra: A DEGDMA konverziója különbözı metanol/acetonitril oldószer arányok esetén. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 10 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt. metanol etanol 2-propanol

2


0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

8000


0,5

metanol etanol 2-propanol 6000

4000

2000

0

0

10

20

30

40

Acetonitril [tf.%] alkohol mellett

50

0

10

20

30

40

Acetonitril [tf.%] alkohol mellett

43. ábra: 30 tf.% DEGDMA + 35 tf.% acetonitril + különbözı alkohollal készített minták fluxusa (bal oldali ábra). Átlagos pórusátmérı (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 10 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.


75

A fluxus mérésekor kapott eredményekbıl levont következtetések jó egyezést mutatnak az átlagos pórusátmérı adatokból levont következtetésekkel (43. ábra, jobb oldala). Lényeges különbség az etilacetátos mintákhoz képest az, hogy a 30 tf.% illetve annál több acetonitrilt tartalmazó monolitok nem tartalmaznak mikropórusokat, amik növelhetnék a „hasznos” felületet.

30 tf. % DEGDMA + 70 tf. % MetOH



30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Ac.nit. + 50 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Ac.nit. + 50 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Ac.nit. + 50 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Ac.nit. + 25 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Ac.nit. + 25 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Ac.nit. + 25 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% Ac.nit.

44. ábra: A DEGDMA-ból készített monolit morfológiai felvételei különbözı alkohol/ acetonitril oldószer arányok esetén. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A nitrogén adszorpcióval mért felület a PrOH-val készült mintáknál kétszer nagyobb lett, mint ugyanazon koncentrációval készített MetOH minta esetében (16. táblázat). Ebben a


76

méréssorozatban már 25 tf.%-os acetonitril tartalom mellett nem lehet átfolyási sebességet mérni. Kisebb koncentrációval készített acetonitril mintáknál a mikropórus tulajdonság elıbb jelentkezik, mint az etilacetát esetében. Az acetonitrillel készült pórusos polimer monolitok pásztázóelektromikroszkópos felvételeit a 44. ábrában foglaltuk össze. Látható, hogy minél jobb oldószert használunk (MetOH-tól, mely rossz oldószer, a PrOH fele haladva, mely jobb oldószer) az acetonitril mellett, a jó pórusos tulajdonság megtartható nagyobb acetonitril koncentrációnál is. Ha a MetOH és EtOH esetében a minta 45 tf.%-ban tartalmaz acetonitrilt a monolit makropórusos jellege teljesen eltőnik, felcseréli egy nagyon apró pórusú felület. 4.4.2.3. Aceton/alkohol oldószerrel készült homopolimer monolitok

Az aceton/metanol keverék konverziója is hasonlóan viselkedik, mint az elöbbiekben bemutatott etilacetátos és acetinitriles oldószer keverékek (45. ábra). A fele-fele arányban használt oldószer keverékben a leggyorsabb a polimerizáció és a kicsapódás. A 100%-os konverziót 1 óra alatt el lehet érni, mindegyik oldószer keverékével.

Konverzió [%]

100

80

60

40

35 w.% metanol + 35 w.% aceton 53 w.% metanol + 17 w.% aceton 17 w.% metanol + 53 w.% aceton 70 w.% metanol

20

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Dózis [kGy]

45. ábra: A DEGDMA konverziója különbözı metanol/aceton oldószer arányokban. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 10 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A fluxus érték maximuma hasonlóan az etilacetátos sorozathoz 20 és 25 tf.%-nál van (46. ábra, bal oldala). Az átfolyási sebesség alapján a pórusméretek változása a megszokott sorrendben változik: a metanollal készített minták a legnagyobb átfolyási sebességet adják, majd az etanolos minták következnek majd a propanolos sorozat. Ha megnézzük az átlagos pórusátmérı adatokat (46. ábra, jobb oldala) szembetőnik, hogy az etanolos minták pórusméretei a legnagyobbak, bár a fluxus értékek nem ezt mutatják. Ez az eltérés azzal


77

magyarázható, hogy bár az etanolos minták pórusmérete a legnagyobb, de ezeknek a pórusoknak a száma jóval kisebb, mint a metanollal készített mintában jelenlévı kisebb pórusoké, ez utóbbiak száma nagyobb a monolitban, így nagyobb átfolyási sebességet kapunk. A propanolos mintában sok mikropórus található (8. melléklet, 17. táblázat), ezek növelik a hasznos térfogatot a fluxus javára. Mind a három esetben, 35 tf.%-os aceton


2


0,4

0,3

0,2


mennyiségnél már nem lehetett átfolyási sebességet mérni.


6000

4000

2000

0,1

0,0 0

10

20

30

Aceton [tf.%] alkohol mellett

40

50

0 0

10

20

30

Aceton [tf.%] alkohol mellett

46. ábra: 30 tf.% DEGDMA + 35 tf.% aceton + különbözı alkohollal készített minták fluxusa (bal oldali ábra). Átlagos pórusátmérı (jobb oldali ábra). A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 10 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

A SEM felvételeken is látható (47. ábra), hogy a 20 tf.%-os acetont tartalmazó oldószerben készített minták pórusai a legnagyobbak, az itt bemutatott rendszerek közül. Ez az elıbbi eredményekkel jól megegyezik. Ahogy az aceton koncentrációja nagyobb részt foglal el a binér elegyben, a mikropórusképzı tulajdonságot az alkohol makropórusképzı hatása nem tudja elnyomni, és nagyon kis pórussal rendelkezı monolitokat tudunk elıállítani.

40


30 tf.% DEGDMA + 70 tf.% MetOH


78


30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Ac. + 50 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Ac. + 50 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 20 tf.% Ac. + 50 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Ac. + 25 tf.% MetOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Ac. + 25 tf.% EtOH

30 tf.% DEGDMA + 45 tf.% Ac. + 25 tf.% PrOH

30 tf.% DEGDMA +70 tf.% Ac.

47. ábra: A DEGDMA-ból készített monolit morfológiai felvételei különbözı alkohol/ aceton oldószer arányok esetén. A besugárzás 25 ºC-on, 30 kGy dózis és 11 kGy/h dózisteljesítmény alkalmazásával történt.

Folyadékkromatográfiás elválasztások

79

5. Folyadékkromatográfiás elválasztások A szilárd monolitok morfológiája és pórusos tulajdonságai alapján, amelyek lehetıvé teszik az eluensek gyors átfolyását a monolit teljes keresztmetszetében, nagy biztonsággal várható, hogy kiváló teljesítményt fognak mutatni nagy molekulasúlyú fehérjék és nukleinsavak elválasztásában. A monolit pórusos tulajdonsága és a felszínének kémiai tulajdonsága határozza meg, hogy milyen kromatográfiás területen lehet alkalmazni az adott monolitot. Az általunk elıállított mintákat folyadékkromatográfiás rendszerként felhasználva, elıre elkészített komponenső keverékek szétválasztását vizsgáltuk. A keverékek tartalmaztak fehérjét (HSA – humán szérum albumin), aminosavakat (Phe – fenilalanin, Trp – triptofán, Tyr – tirozin, His – hisztidin), nukleobázisokat (T – timin, uracil, adenin, citozin) és nukleozidokat (guanozin, citidin, adenozin). 5.1. DEGDMA ko-HEA kolonna

A DEGDMA ko-HEA rendszer hidrodinamikai és morfológiai tulajdonságait a 4.3.2. fejezetben, oldószer hatását pedig 4.4.1.-es fejezetben mutattam be. Mivel ez a kolonna nem ismert az irodalomból, elsıként szisztematikusan megterveztem az elválasztás optimalizálását háromszög módszerrel – mely a 8. mellékletben megtalálható – milyen HEA koncentráció az ideális a jó elválasztás érdekében, szem elıtt tartva az elválasztani kívánt anyagokat és a hozzá használható eluenseket. Számos kísérletet végeztünk DEGDMA rendszerben a HEA koncentrációjának megállapítására optimális. Elsıként 5 tf.%-os HEA kolonnát készítettünk MetOH oldószerben: ezen a rendszeren azonban aminosav keveréket nem lehetet elválasztani. A következı kísérlet már a 18 tf.%-os HEA rendszeren történt, mivel a 23. ábrán látható, hogy az 5-12 tf.%-os HEA kopolimerek átfolyási karakterisztikája igen hasonló, ezért érdemes nagyobb HEA koncentrációval dolgozni. A 18 tf.%-os HEA monolit a lehetı legnagyobb koncentrációjú kopolimer, amin még lehet fluxust mérni. Érdemes volt tehát evvel a koncentrációval kísérletezni, hogy a lehetı leghidrofilebb felülető monolit kolonnával kíséreljünk meg elválasztást elérni. Mivel a MetOH oldószerben készült monolitok kielégítıen jó elválasztást nem adtak, így az egyetlen lehetıség arra, hogy a rendszer összetétele ne változzon, a pórusképzı oldószer megváltoztatása volt. A 37. ábra adatai alapján elmondható, hogy az alkohol oldhatósági paraméterének csökkenésével az átfolyási


80

fluxus a MetOH-ról EtOH-ra áttérve a felére csökken. Tehát a monolit kémiai tulajdonságait változatlanul hagyva, 18 tf.% HEA-t alkalmazva – EtOH oldószerben a monolit pórusmérete lecsökken és várható a jobb elválasztás (a PrOH és ButOH oldószert tartalmazó rendszerben készült HEA kopolimerek pórusai olyan kicsik voltak, hogy azokat nem lehetett kolonnaként használni). A kiválasztott kopolimer monolit kolonna elválasztását a háromszög módszer alkalmazásával optimalizáltuk. A mérés eredményeit mutatjuk be 18 tf.% HEA + 12 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH rendszerben készült kolonnán a 48. és 49. ábrákon. Az eluenseket irodalmi analógiák alapján választottam ki. Abszorbancia [mUA]

140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000

0

1

Idõ 2[perc]

3

4

metanol

500000

50000

0 0

1

Idõ 2[perc]

3

4

50%

50%

Abszorbancia [mUA]

100000 400000

300000

200000

100000

0

acetonitril

1

2

3

Idõ [perc]

víz

50%

600000

Abszorbancia [mUA]

1000000

Abszorbancia [mUA]

Abszorbancia [mUA]

0 150000

450000

300000

800000

600000

400000

150000

200000

0 0

1

2 Idõ [perc]

3

4

0 0

1

2

Idõ [perc]

3

4

48. ábra: Háromszög módszerrel optimalizált folyadékkromatográfiás mérések összefoglalása. A kolonna: 18 tf.% HEA + 12 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH, kolonna méret: 128 mm X 4 mm, anyag: BSA (elsı csúcs) + Trp (második csúcs), hullámhossz: 200 nm, áramlási sebesség: 0,8 ml/perc, inj.: 20 µl

4


81

Látható, hogy mind a két esetben a 18 tf.% HEA + 12 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH kolonnán igazán jó elválasztást vizes mozgófázis jelenlétében lehet elérni. A víz és kis mennyiségő acetonitril vagy MetOH keveréke ugyancsak jó eredményeket ad, de a nagy acetonitril és MetOH koncentrációnál rossz elválasztást eredményez.

Abszorbancia [mUA]

60000

40000

20000

0 1

2

3

4

Idõ [perc]

300000

metanol

Abszorbancia [mUA]

Abszorbancia [mUA]

0

40000

20000

200000

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

100000

4.0

50%

Idõ [perc]

50% 0 0

1

2

3

4

Idõ [perc]

200000

400000

víz

Abszorbancia [mUA]

acetonitril

50%

100000

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Idõ [perc]

2.5

3.0

3.5

4.0

450000

Abszorbancia [mUA]

Abszorbancia [mUA]

300000

300000

200000

100000

300000 0 0

1

2

3

Idõ [perc]

150000

0 0

1

2

3

4

Idõ [perc]

49. ábra: Háromszög módszerrel optimalizált folyadékkromatográfiás mérések összefoglalása. A kolonna: 18 tf.% HEA + 12 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH, kolonna méret: 128 mm X 4 mm, anyag: HSA (elsı csúcs) + Tyr (második csúcs) + T (harmadik csúcs), hullámhossz: 200 nm, áramlási sebesség: 0,8 ml/perc, inj.: 20 µl

A következı elválasztásoknál a vizes mozgó fázist használtuk. A HEA rendszerek hidrofil tulajdonsága miatt jó felhasználási területnek mutatkozik biomémiai szempontból

4


82

fontos vegyületek elválasztására (ezek az anyagok vízben jól oldódnak) és az elválasztás környezetvédelmi szempontok alapján fejlesztésre érdemes. A 50. ábrán két különbözı kolonna elválasztó képességét mutatjuk be aminosavak (His, Phe, Tyr, Trp) és nukleobázis (T) esetében. Az ábra bal oldalán található homopolimer kolonnán az elválasztás nem jó, a DEGDMA monolit nem tudja a kiválasztott anyagokat egymástól elválasztani. A kopolimer esetében az elválasztás ígéretesnek mutatkozik. A keresztkötött HEA, amikor a vízben megduzzad nem csak hidrofil jelleget ad a monolit felületének, de új pórus készletet is melyek csak a megduzzadt állapotban léteznek, és ezek elısegítik a jobb elválasztást. Tyr

T

Abszorbancia [UA]

Trp

Tyr

Phe

Abszorbancia [UA]

Phe

His

Trp

His

T 0

1

2

3

Idõ [perc]

4

5

6

0

1

2

3

4

5

Idõ [perc]

50. ábra: Folyadékkromatográfiás mérés. A kolonna: 30 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH (bal oldali ábra), 18 tf.% HEA + 12 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH (jobb oldali ábra), kolonna méret: 128 mm X 4 mm, áramlási sebesség: 0,8 ml/perc, inj.: 20 µl, hullámhossz: 200 nm

A HEA kolonna felhasználását elválasztásokban különbözı mozgó fázisok alkalmazásával 48. és 49. ábrán már bemutattam. A HEA monolit esetében a tiszta vizes mozgó fázis volt a legeredményesebb az elválasztások során. Mivel a szétválasztott vegyületek méretei a Trp>Tyr>Phe>His>T sorrendben változnak, látható, hogy az elválasztás nem csak a méretkizáráson alapul. A két legjobban szétválasztható aminosav, Phe és His, a mérete közel azonos, viszont a Phe hidrofób aminosav (hidropátiája11: 2,8) a hisztidin pedig hidrofil (hidropátiája: -3,2) [105]. Ezek az adatok megtalálhatók a 8. melléklet 14. táblázatában. Az aminosavak jobb szétválasztása a 18 tf.%-os HEA kolonnán a DEGDMA homopolimerhez képest, több hatás együttes eredménye: a HEA polimer megduzzad a vízben és ezáltal a kolonnát hidrofillé teszi, e mellett a megduzzadt gél pórusai mint egy „szitaként” viselkednek. A vegyületek szétválasztására ezen 11

hidropátia: egyes fehérjék hidrofil vagy hidrofób tulajdonságai jellemzésére használt szám

6


83

gél szita méretkizárásán és az fordított fázisú kromatográfia kombinációjaként valósul meg (51. ábra). Természetesen a HSA és T elválasztása során a fı segítség a méretek óriási különbségébıl adódik. Ez a mérés azt szemlélteti, hogy olyan nagy mérető anyagok, mint a HSA fehérje is elválasztható kisebb anyagoktól, így töményítésre is lehet használni a kolonnát. Abszorbancia [UA] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

His+Phe His+Tyr Trp+Phe 1

2

3

4

HSA+T

Idõ

51. ábra: Folyadékkromatográfiás mérés. A kolonna: 18 tf.% HEA + 12 tf.% DEGDMA/70 tf.% EtOH, kolonna méret: 128 mm X 4 mm, eluens: víz, áramlási sebesség: 0,8 ml/perc, inj.: 20 µl, hullámhossz: 200 nm

5.2. DEGDMA ko-NIPAAm kolonna

A ko-NIPAAm esetében LCST alatt a PNIPAAm hidrogél nyújtott konformációt vesz fel, és a kémiai tulajdonsága alapján hidrofil. Mivel ilyen esetben a gél duzzadt állapotban van a pórusok felületén a folyadék szabad, akadálymentes átfolyását meggátolja. Ez alapján a fluxus drasztikus csökkenését várhatjuk (nagy nyomás ellenállás) a kolonnán LCST alatt. Ha viszont a hımérsékletet növeljük mind a kémiai mind a fizikai tulajdonság megváltozik. A hidrofil felület hidrofóbbá válik, és a pórus átjárhatósága jobb lesz, mert a PNIPAAm hidrogél „összezsugorodik”. (Az LCST felett a nyomás érték kicsi lesz.) Ezt a nyomás változást szemlélteti az 52. ábra. A polimer pórus méretének változtatása akár periódikusan is elıidézhetı a kolonna hımérsékletének változtatásával. Az ábrán látható, hogy a MetOH-al elıállított kopolimer 5 MPa, addig az EtOH-al elıállított monolit 7 MPa különbséget mutat. (A kisebb pórussal rendelkezı ko-NIPAAm/ EtOH monolit nagyobb pórusméret változást tud elıidézni.)


84

15

Nyomás [MPa]

o

5 C

12

9

o

40 C

6

0

5

10

15

20

Idõ [perc]

52. ábra: Különbözı ko-NIPAAm kolonnák nyomásesés változásai két különbözı hımérsékleten. Jelölés: fekete -10 w.% NIPAAm / 20 w.% DEGDMA / 70 w.% MetOH; piros-10 w.% NIPAAm / 20 w.% DEGDMA / 70 w.% EtOH; zöld – 10 w.% NIPAAm / 20 w.% DEGDMA / 35 w.% MetOH / 35 w.% EtOH

A ko-NIPAAm kolonna érzékenysége hımérsékletre, olyan lehetıséget ad, hogy hımérséklet programozással az elválasztás képesség nagy mértékben változtatható. Az ez irányú elválasztások még fejlesztésre várnak.

Összefoglalás, tézisek

85

6. Összefoglalás, tézisek A gamma-sugárzással indított polimerizáció és térhálósítás a monolitok elıállításának viszonylag új és nagyon ígéretes módja. A módszer nagy elınye az iniciálás függetlensége a hımérséklettıl, valamint a homogén reakcióindítás a minta teljes térfogatában, függetlenül a kolonna paramétereitıl. A töltet emiatt perceken belül elkészíthetı a megfelelı kolonnában és az azonnal kromatográfiás rendszerbe köthetı. A megfelelıen kiválasztott monomer és szerves oldószer jelenlétében sugárzásos iniciálás segítségével térhálós polimer „magok” csapódnak

ki

az oldatból,

ezek

a

további

besugárzás

hatására

a

szomszédok

összekapcsolódásával növelik méreteiket, és végül kialakítják a pórusokkal rendelkezı mátrixot. Ahhoz, hogy ezek a monolit rendszerek kolonnaként használjuk, a polimernek megfelelı arányú mikro- és makropórust kell tartalmaznia. A pórusszerkezet változtatható az oldószer és a monomer vegyület milyenségével és koncentrációjával, a dózissal és dózisteljesítménnyel, valamint a besugárzási hımérséklettel. A dolgozatban bemutatott eredményeket az alábbi tézispontokban foglaltam össze: I. a. Dietilénglikol-dimetakrilát (DEGDMA) homopolimer monolitokon végzett átfolyási sebesség mérésekkel meghatároztam, hogy a megfelelıen merev polimer váz elıállításához legalább 20 kGy dózis szükséges. Kis dózis esetén a pórusszerkezet még nem alakult ki, a keresztkötések száma kicsi és a térháló laza szerkezető. Az átfolyási sebesség és a pórusméret csökken a dózis növelésével. b. Megfelelıen merev polimer váz 10 kGy/h-nál nagyobb dózisteljesítményekkel állítható elı. A nagyobb dózisteljesítmény idıegység alatt több gyök keletkezését jelenti, rövid idı alatt gyorsabban térhálósodnak a láncok, emiatt nagyobb pórusok keletkeznek, így nagyobb lesz az átfolyási sebesség. c. A nagyobb hımérséklető besugárzás nagyobb átlagos pórusméretet eredményez. A polimer láncok sokkal könnyebben és gyorsabban mozognak nagyobb hımérsékleten, a térhálósodás gyorsabban végbemegy, de a fázisszétválás is hamarabb bekövetkezik. Ugyanakkor, a növekedı hımérséklet a polimer oldódását is elısegíti. Ennek következtében nagyobb hımérsékleten a polimerizációs centrumok (magok) nagyobb molekulatömeggel rendelkezı polimer láncokból állnak, melyek nagyobb gömböcskék és közöttük nagyobb üregek kialakulását eredményezik


86

d. A monomer koncentrációjának növelése a besugárzásra elıkészített mintában az átfolyási sebesség csökkenésével jár, nagy koncentrációknál pedig nem mérhetı átfolyás. Nagy DEGDMA koncentráció esetén a polimer nagymértékő térhálósodása miatt a pórusok méretei annyira lecsökkennek, hogy az eluens nem tud átfolyni a tölteten. Jó átfolyási jellemzıkkel rendelkezı monolit 20-40 tf.% / 80-60 tf.% közötti monomer / oldószer arány esetén állítható elı. II. a. Kopolimer DEGDMA-HEA (2-hidroxietil-akrilát) monolitok esetén a 2-hidroxietilakrilát komonomer arányának növelése nagyobb pórusméretet és a felület hidrofil karakterének erısödését eredményezte. b. Az N-izopropil-akrilamid (NIPAAm) komonomer nagyobb koncentrációja ugyancsak pórusméret növekedését okozta. A NIPAAm nagy koncentrációja (>12 w.%) a biner monomer oldatban hidrogélt eredményez. c. A butil-metakrilát (BMA) kopolimer esetén annak nagyobb aránya a növekvı pórusméret mellett a hidrofób és géles tulajdonságok erısödésével is jár. d. Glicidil-metakrilát (GMA) komonomer használatakor az arány növelésével a pórusméret csökken, de nı a felület affinitása a fehérjék megkötésére. III. a. Homopolimer monolitok esetében az oldószerek két csoportba sorolhatók: bizonyos oldószerek (például aceton, acetonitril, etilacetát vagy tetrahidrofurán) kis pórusokat eredményeznek, míg mások (elsısorban az alkoholok) nagy pórusokat. Az eltérı viselkedést a momoner és a polimer oldhatóságának különbözısége okozza a két csoport oldószereiben. b. A kopolimereknél az alkoholok oldhatósági paraméterének csökkenésével egyre kisebb pórusú monolitokat lehet elıállítani. A pórusméret BMA
Ha funkciós csoportokkal rendelkezı sugárzásos polimerizációval elıállított

polimer monolit folyadékkromatográfiás töltetek, alkalmasak nukleinsavak és aminosavak elválasztására fehérjéktıl. Újszerő lehetıség a monolitok felhasználására (ko-NIPAAm


87

esetében) a hımérséklet érzékenység kihasználásával, egyszerő egylépéses technikával a mérés alatt a polimer pórusméreteinek változtatása, amit könnyedén lehet alkalmazni az elválasztás során. Az ilyen típusú mérések szelektívebb elválasztást ígérnek.

A kidolgozott módszerrel elıállított kolonna töltetek jó helyettesítıi lehetnek a már eddig alkalmazott hı- és fotoiniciált polimerizációval elıállított monolit tölteteknek. Környezetvédelmi szempontok alapján ígéretesnek tőnik a 2-hidroxietil-akrilát és N-izopropilakrilamid komonomert tartalmazó monolit kolonna, melynél elkerülhetı a szerves oldószer eluensek használata.

Irodalomjegyzék

88

7. Irodalomjegyzék 1. Wojnárovits, L., Sugárkémia, Akadémiai Kiadó, Bp., (2007) 2. Pukánszky, B., Mőanyagok, Mőegyetemi Kiadó Jegyzet száma: 65011, (2003) 3. Dobó, J., Gyakorlati sugárkémia, Mőszaki Könyvkiadó, Bp., (1967) 4. Van Herk, A.M., Makromol. Theory. Simul. 9, 433 (2000) 5. Swallow, A.J., Radiation Chemistry Introduction, Longman, London, (1973) 6. Moldvai, I., Polimerek elıállítása és feldolgozása, Tankönyvkiadó, Bp., (1991) 7. Buchmeiser, M.R., Polym. 48, 2187 (2007) 8. Hjertén, S., Li, Y.M., Liao, J.L., Mohammad, J., Nakazato, K., Pettersson, G., Nature 356, 810 (1992) 9. Hjertén, S., Nakazato, K., Mohammad, J., Eaker, D., Chromatog. 37, 287 (1993) 10. Buchmeiser, M. R., J. Chrom. A. 918, 233 (2001) 11. Svec, F., Fréchet, J.M.J., Macromol. 28, 7580 (1995) 12. Viklund, C.F., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Chem. Mater. 8, 744 (1996) 13. Svec, F., Frechet, J.M.J., Anal. Chem. 64, 820 (1992) 14. Yu, C., Xu, M., Svec, F., Fréchet, J.M.J., J. Polym. Sci. Part. A. Polym. Chem. 40, 755 (2002) 15. Viklund, C., Pontén, E., Glad, B., Irgum, K., Chem. Mater. 9, 463 (1997) 16. Yu, C., Davey, M.H., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Anal. Chem. 73, 5088 (2001) 17. Bernabé-Zafón, V., Beneito-Cambra, M., Simó-Alfonso, E.F., Herrero-Martínez, J.M., J. Chromatog. A. 1217, 3231 (2010) 18. Sáfrány, Á., Beiler, B., László, K., Svec, F., Polym. 46, 2862 (2005) 19. Beiler, B., Sáfrány, Á., Rad. Phys. Chem. 76, 1351 (2007) 20. Bandari, R., Knolle, W., Prager-Duschke, A., Buchmeiser, M.R., Macromol. Rapid. Commun. 28, 2090 (2007) 21. Bandari, R., Knolle, W., Prager-Duschke, A., Glasel, H.J., Buchmeiser, M.R., Macromol. Chem. Phys. 208, 1428 (2007) 22. Tsujioka, N., Hira, N., Aoki, S., Tanaka, N., Hosoya, K., Macromol. 38, 9901 (2005) 23. Hosoya, K., Hira, N., Yamamoto, K., Nishimura, M., Tanaka, N., Anal. Chem. 78, 5729 (2006) 24. Matyjaszewski, K., Macromol. 26, 1787 (1993) 25. Sinner, F., Buchmeiser, M.R., Tessadri, R., Mupa, M., Wurst, K., Bonn, G.K., J. Am. Chem. Soc. 120, 2790 (1998) 26. Buchmeiser, M.R., Atzl, N., Bonn, G.K., J. Am. Chem. Soc. 119, 9166 (1997) 27. Buchmeiser, M.R., Tessadri, R., Seeber, G., Bonn, G.K., Anal. Chem. 70, 2130 (1998) 28. Kenneth, C.S., Ghanemb, A., Honb, W.B., Emily, F.H., Paul, R.H., Anal. Chim. Acta. 652, 22 (2009) 29. Ngola, S.M., Fintschenko, Y., Choi, W.Y., Shepodd, T.J., Anal. Chem. 73, 849 (2001) 30. Potter, O.G., Hilder E.F., J. Sep. Sci. 31, 1881 (2008) 31. Svec, F., J. Chromatog. B. 841, 52 (2006) 32. Svec, F., Krenkova, J., LCGC LC Column Technology Supplement, 2008 (www.chromatographyonline.com) 33. Chuda, K., Jasik, J., Carlier, J., Tabourier, P., Druon, C., Coqueret, X., Rad. Phys. Chem. 75, 26 (2006) 34. Svec, F., Frechet, J.M.J., Ind. Eng. Chem. Res. 38, 34 (1999) 35. Svec, F., Peters, E., Sykora, D., Yu, C., Frechet, J.M.J., J. High. Resolut. Chromatogr. 23, 3 (2000) 36. Svec, F., J. Chromatogr. B. 841, 52 (2006)

Irodalomjegyzék

89

37. Svec, F., J. Sep. Sci. 27, 747 (2004) 38. Svec, F., Huber, C.G., Anal. Chem. 78, 2100 (2006) 39. Hilder, E.F., Svec, F., Frechet, J.M.J., J. Chromatogr. A. 1044, 3 (2004) 40. Peters, E.C., Svec, F., Frechet, J.M.J., Adv. Mater. 11,1169 (1999) 41. Righetti, P.G., J. Chromatogr. A. 698, 3 (1995) 42. Buchmeiser, M.R., Macromol. Rapid. Commun. 22, 1081 (2001) 43. Josic, D., Buchacher, A., Jungbauer, A., J. Chromatogr. B. 752, 191 (2001) 44. Stachowiak, T.B., Svec, F., Frechet, J.M.J., J. Chromatogr. A. 1044, 97 (2004) 45. Jungbauer, A., J. Chromatogr. A. 1065, 3 (2005) 46. Svec, F., Deyl, Z., Tennikova, T.B., J. Chromatogr. Lib. 67, V (2003) 47. Yosida, M., Asano, M., Kaetsu, I., Morita, Y., Radiat. Phys. Chem. 30, 39 (1987) 48. Naka, Y., Kaetsu, I., Yamamoto, Y., Hayashi, K., J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 29, 1197 (1991) 49. Naka, Y., Yamamoto, Y.J., Hayashi, K., Radiat. Phys. Chem. 40, 83 (1992) 50. Naka, Y., Yamamoto, Y.J., Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 30, 1287 (1992) 51. Naka, Y., Yamamoto, Y.J., Polym Sci Part A: Polym Chem 30, 2149 (1992) 52. Grasselli, M., Smolko, E., Hargittai, P., Sáfrány, Á., NIMB. 185, 254 (2001) 53. Sáfrány, Á., Beiler, B., Graselli, M., POLYCHAR-10. World Forum on Polymer Applications and Theory, January 8-10, 2002, Denton, Texas, USA. Book of Abstracts p. 65. 54. Nguey, A.M., Irgum, K., Chem. Mater. 18, 6308 (2006) 55. Svec, F., LC Column. Tech. 2 (2003) 56. Potter, O.G., Hilder, E.F., J. Sep. Sci. 31, 1881 (2008) 57. Svec, F., J. Chromatogr. B. 841, 52 (2006) 58. Petro, M., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Biotech. Bioeng. 49, 355 (1996) 59. Xie, S., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Polym. Prepr. 38, 211 (1997) 60. Kwakman, P.J.M., Brinkman, U.A.T., Anal. Chim. Acta. 266, 175 (1992) 61. Pontén, E., Viklund, C., Irgum, K., Bogen, S.T., Lindgren, A.N., Anal. Chem. 68, 4389 (1996) 62. Xie, S.F., Svec, F., Frechet, J.M.J., Chem. Mater. 10, 4072 (1998) 63. Peters, E.C., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Adv. Mater. 9, 630 (1997) 64. Wei, X., Qia, L., Yangc, G., Wanga, F., Talanta 79, 739 (2009) 65. Schweitz, L., Andersson, L.I., Nilsson, S., Anal. Chim. Acta. 435, 43 (2001) 66. Matsui, J., Kato, T., Takeuchi, T., Suzuki, M., Yokoyama, K., Tamyia, E., Karube, I., Anal. Chem. 65, 2223 (1993) 67. Nilsson, K., Lindel, J., Norrlow, O., Sellergren, B., J. Chromatogr. 680, 57 (1994) 68. Schweitz, L., Andersson, L.I., Nilsson, S., Chromatogr. Supplem. I 49, S93 (1999) 69. Schweitz, L., Andersson, L.I., Nilsson, S., J. Chromatogr. A. 792, 401 (1997) 70. Schweitz, L., Andersson, L.I., Nilsson, S., J. Chromatogr. A. 817, 5 (1998) 71. He, B., Tait, N., Regnier, F., Anal. Chem. 70, 3790 (1998) 72. Kutter, J.P., Jacobson, S.C., Matsubara, N., Ramsey, J. M., Anal. Chem. 70, 3291 (1998) 73. Vlakh, E.G., Tennikova, T.B., J. Chromatog. A. 1216, 2637 (2009) 74. Minakuchi, H., Nakanishi, K., Goga, N., Ishizuka, N., Tanaka, N., Anal. Chem. 68, 3498 (1996) 75. Petro, M., Svec, F., Gitsov, I., Fréchet, J.M.J., Anal. Chem. 68, 315 (1996) 76. Svec, F., Frechet, J.M.J., Biotechnol. Bioeng. 48, 476 (1995) 77. Svec, F., Frechet, J.M.J., J. Chromatogr. 702, 89 (1995) 78. Svec, F., Frechet, J.M.J., Chem. Mater. 6, 707 (1995) 79. Svec, F., Peters, E.C., Sykora, D., Fréchet, J.M.J., J. Chromatogr. A. 887, 3 (2000) 80. Peters, E.C., Petro, M., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Anal. Chem. 70, 2288 (1998) 81. Pucci, V., Raggi, M.A., Svec, F., Frechet, J.M.J., J. Sep. Sci. 27, 779 (2004)

Irodalomjegyzék

90

82. Peters, E.C., Petro, M., Svec, F., Fréchet, J.M.J., Anal. Chem. 69, 3646 (1997) 83. Josic, D., Buchacher, A., J. Biochem. Biophys. Methods. 49, 153 (2001) 84. Pan, Z., Zou, H., Mo, W., Huang, X., Wu, R., Anal. Chim. Acta. 466, 141 (2002) 85. Luo, Q., Zou, H., Zhang, Q., Xiao, X., Ni, J., Biotech. Bioeng. 80, 481 (2002) 86. Bedair, M., Rassi, Z.E., J. Chromaogr. A. 1079,236 (2005) 87. Xie, S., Svec, F., Fréchet, J.M.J., J. Chrom. A. 755, 65 (1997) 88. Xie, S., Svec, F., Fréchet, J.M.J., J. Polym. Sci. Polym. Chem. 35, 1013 (1997) 89. Sykora, D., Peters, E.C., Svec, F., Frechet, J.M.J., J. Mocromol. Mater. Eng. 275, 42 (2000) 90. Shen, T.C., J. Chromatogr. Sci. 30, 239 (1992) 91. Shen,T.C., Fong, M.M., J. Chromatogr. Sci. 32, 36 (1994) 92. Ji, Z., Major, R.E., LC-GC 16, 620 (1998) 93. Xie, S., Allington, R.W., Fréchet, J.M.J., Svec, F., Adv. Biochem. Eng./ Biotech. 76, 87 (2002) 94. Gregg, J., Sing, K.S.W., Academic Press, London and New York, 1967 95. Sáfrány, Á., Beiler, B., IAEA-TECDOC-1465, 53 (2005) 96. Yosida, M., Asano, M., Kaetsu, I., Morita, Y., Radiat. Phys. Chem. 30, 39 (1987) 97. Hosoya, K., Sawada, E., Kimata, K., Araki, T., Tanaka, N., Macromol. 27, 3973 (1994) 98. Lee, Y.M., Ihm, S.Y., Shim, J.K., Kim, J.H., Polym. 36, 81 (1995) 99. Ogata, T., Nonaka, T., Kurihara, S., J. Memb. Sci. 103, 159 (1995) 100. Kikuchi, A., Okano, T., Prog. Polym. Sci. 27, 1165 (2002) 101. Hemström, P., Nordborg, A., Irgum, K., Svec, F., Fréchet, J.M.J., J. Sep. Sci. 29, 25 (2006) 102. Coufal, P., Čihák, M., Suchánková, J., Tesařová, E., Bosáková, Z., Štulík, K., J. Chrom. A. 946, 99 (2002) 103. Tang, M., Cao, X., Liu, Z., Wu, X., Gance, D., Proc. Biochem. 34, 857 (1999) 104. Kyte, J., Doolittle, R., J. Mol. Biol. 157, 105 (1982) 105. Pokol Gy., Sztatisz J., Analitikai kémia I., Mőegyetemi Kiadó, Jegyzet száma: 65028, 1999 106. Burger, K., Az analitikai kémia alapjai, Kémia és mőszeres elemzés, Alliter Kiadó, 2002 107. Sadek, P.C., The HPLC solvent guide (second edition),Wiley-Interscience, New York, 2002

Melléklet

91

8. Melléklet 8.1. A kromatográfiás elválasztás általános jellemzése és alapfogalmai:

A kromatográfiás méréseknél fontos, hogy a minta viszonylag rövid idı alatt jól váljon szét a kolonnán és komponensei jól elkülönülı kromatográfiás csúcsokat adjanak [105]. A folyadékkromatográfiában (LC) az elválasztást mind az álló-, mind a mozgófázis minısége befolyásolja. Az állófázis tulajdonságait és a mozgófázis összetételét egymással összhangban kell megválasztani. A kolonnák 1-4 mm belsı átmérıjő, 100-300 mm hosszúságú acél- vagy vastag

falú

üvegcsıbıl

készülhetnek.

A

sávkiszélesedés

csökkentése

végett

a

csatlakozásoknál és a tömítéseknél a holttereket a lehetı legkisebbre kell csökkenteni. A kolonna töltete gyakran apró szemcséjő (2-40 µm átmérıjő) adszorbens, általában szilikagél, aluminium-oxid esetleg aktív szén. Az 53.a ábrán egy phenogél töltet elektronmikroszkópos felvétele látható, míg az 53.b ábrán monolit töltetrıl készült. A folyadékkromatográfiában a kolonnákat leggyakrabban szobahımérsékleten használják, azonban lehetıség van más hımérsékleten történı alkalmazásra is [106].

a

b

53. ábra: Elektronmikroszkópos felvételek phenogél (a) és monolit (b) töltetekrıl

Az 54. ábrán láthatóak a jellegzetes folyadék kromatogramok. Az elválasztás jellemezhetı a 12. táblázatban feltőntetett adatokkal. X tengelyen: idı (elúciós idı); Y tengelyen: a detektorjel intenzitása tR : retenciós idı (komponensenként eltérı) t0 : holtidı

Melléklet

92

DAD1 A, Sig=254,4 Ref=off (DEMO\ISOCRA.D)

DAD1 A, Sig=254,4 Ref=off (DEMO\ISOCRA.D)

A

50

tR B

80

C

40

∆Rt

tR C

60

D

t0t0

h

30

20

tR D

40

a b 0,1 h

10

20

0

0 0

1

2

3

2σ=Wi W1/2

4

5

min

3.4

3.6

3.8

4

4.2

0,6 h

B 2.207

100

0, 5 h

1.207

tR A

120

Gauss görbe

60

4.138

140

4.138

mAU

0.911

mAU

4.4

4.6

W=4σ 54. ábra: Kromatogram (bal oldali ábra); Csúcs jellemzık (jobb oldali ábra) 12. táblázat: A kromatográfiás elválasztás során használt összefüggések redukált retenciós idı

t’R = tR-t0

retenciós tényezı (kapacitási tényezı)

k = (tR-t0)/t0 = (VR-V0)/V0

relatív retenciós idı

RRT = tRA/tRC

retenciós térfogat; (v: az eluens áramlási sebessége)

VR = v*tR

holttérfogat

V0 = v*t0

megoszlási hányados; VS: az állófázis térfogata

D = k*(V0/VS) αCD = kD/kC

elválasztási tényezı a (régen szelektivitási tényezı)

αCD = (tRD-t0)/(tRC-t0)

szimmetria tényezı (T = 1 ideális esteben) csúcsfelhasadás elméleti tányérszám felbontás

T = a/b RS = 2∆Rt*(WC/WD) H = 16*(tR/W)2 = 5,54*(tR/W1/2)2 1 α −1 k Rs = N 4 α k +1

A „jó” módszer:

szelektív (α>1) hatékony N>1000 jó felbontóképességgel rendelkezik Rs> 1,5 A rövidítések az ábrán fel vannak tüntetve. 8.2. A Hildebrand oldhatósági paraméter és elmélete

Szerves vegyületek oldhatósági paraméterei a Hildebrand egyenletbıl számíthatók, amely a kohéziós energia sőrőség négyzetgyökét tekinti oldhatósági paraméternek (δ). 1 2

 ∆EV   D(∆H V − RT )   =  M  V   

δ =

1 2

4.8

min

Melléklet

93

Amint azt az összefüggésbıl látható az oldhatósági értékek számításához a sőrőség (D), a molekula tömeg (M), Kelvin hımérséklet (T) és a párolgáshı ( ∆H ) ismerete szükséges. Az ún. „Hildebrand paraméterek” nagyrészt jellemzik a két egyedi molekula közötti energia kölcsönhatást. Levezethetõk majdnem minden vegyületre. Tapasztalat szerint, majdnem azonos Hildebrand paraméterrel rendelkezõ két anyag könnyen lép egymással kölcsönhatásba. A kis Hildebrand paraméterek apoláris, hidrofób, a nagy értékek pedig poláris, hidrofil kölcsönhatást jeleznek. (δ (cal cm-3)1/2)= 0,48888 x δ (MPa1/2)) 13. táblázat: Oldhatósági paraméterek

Anyag

Számított, régi δ [Η]a

DEGDMA C12H18O5 HEA C5H8O3 GMA C7H10O3 BMA C8H14O2 NIPAAm C6H11NO

8,5

Számított δ [Η]b

Számított δ [Η]c

Monomerek 9,8 12,3 10,2 8,5 13,1

9,9 11,9 9,9 8,8 11,9

Dietil-amin C4H10NH

Oldószerek Metanol 14,5 16,1 Etanol 12,7 13,4 Izo-Propanol 11,9 12,3 butanol 11,4 11,5 Aceton 9,9 10,1 THF 9,1 9,4 Etilacetát 9,1 9,1 Acetonitril 11,9 12,5 a Handbook of Chemistry and Physics 58TH edition 1977-1978, CRC Press (H=cal cm-3)1/2 b http://www.pirika.com/chem/TCPEE/SP/ourSP.htm c http://home.earthlink.net/~silchemy/index.htm, spcalc5; silchemy Én a kijelölt adatokkal számoltam, mert a program egyszerő és nem lehet vele hibázni. Monomer keverékek esetében a Hildebrand oldhatósági paraméter

Az monomer keverék Hildebrand paraméterét az egyes komponensek koncentrációval súlyozott átlagaként határozzuk meg. 18 tf.% HEA/12 tf.% DEGDMA δ = (0,6∗12,25+0,4∗9,8)=11,27 Η 18 tf.% GMA/12 tf.% DEGDMA δ =10,04 Η 18 tf.% BMA/12 tf.% DEGDMA δ =9,2 Η 18 tf.% NIPAAm/12 tf.% DEGDMA δ =11,78 Η 12 tf.% HEA/18 tf.% DEGDMA δ =10,8 Η 12 tf.% GMA/18 tf.% DEGDMA δ =9,96 Η 12 tf.% BMA/18 tf.% DEGDMA δ =9,28 Η 12 tf.% NIPAAm/18 tf.% DEGDMA δ =11,12 Η

Melléklet

94

A 0,6 az egyik szorzó, mert a monomer 30 tf.% ezt veszem 100%-nak és ez alapján számolom ki a 18 tf.% és 12 tf.%-ot. (18/30=0,6; 12/30=0,4)

8.3. A háromszög módszer

A háromszög módszerben két típus létezik. Az egyik az oldószer szelektivitásának a matematikai reprezentációján, a másik az általános kromatográfiás ismereteken alapszik. Ezekhez az optimalizációs folyamatokhoz hasonló átfogó stratégiát használunk, mint: egyszerre 3 változót módosítunk, amelyek befolyásolják a retenciós idıt (itt a 3 oldószer mobilis fázisának összetétele) és az eredményt használjuk vezérfonalként a kísérlet következı sorozatának kiválasztásakor. Az elsı cél, hogy megfelelı felbontást kapjunk a csúcsok között. Az univerzális cél pedig az, hogy ezt kibıvítve minimalizáljuk a mérési idıt [107]. Tekintsük általános megközelítésként ezt az optimalizálási tervezést a fordított fázisú kolonnára (C18) mint az az 55. ábrán látható. A háromszög mindegyik csúcsa egy önálló mobilis fázis összetételt jelöl. Itt a pontok 100% metanolt, acetonitrilt és vízet jelentenek. A pontok az oldalak mentén a 2 komponens keverékét adják mobilis fázisként. Az 1,2,3 pontok jelölik az 50/50%-os metanol/víz; víz/acetonitril; metanol/acetonitril keveréket. A háromszög belsı pontjaiban a mozgófázist 3 komponens keveréke jelenti (a) ábra). Tehát a 4 pont jelöli az 1/1/1 metanol/acetonitril/víz mozgó fázist. Az optimalizálási folyamat során mindegyik pontban (adott mozgó fázis összetételnél) végzünk elválasztást, és kihagyjuk azokat amelyek ”kevésbé megfelelı” eredményt szolgáltatnak. Ezt követıen, a 3 legjobb felbontást adó mozgó fázis egy új háromszög csúcsait alkotják (b) ábra). A következı kísérlet sorozatot pedig ettıl a 3 ponttól szerkesztjük tovább. A fenti példában, ha a legjobban elfogadható eredményt a 4, 2 és az acetonitril pontokban kaptuk, akkor a következı kísérleteket az 5,6,7 és 8-as pontokban végezzük (b) ábra). Ennek a folyamatnak a sikeres iterációja ahhoz vezet, hogy a legjobb szétválasztást kapjuk. Ez az optimális séma használható bármilyen korlátlanul elegyedı három oldószernél.

Melléklet

95

metanol c c)

acetonitril

víz a)a)

acetonitril

b)

55. ábra: A háromszög módszer sematikus ábrán bemutatva.

14. táblázat: Aminosavak hidropátiája

Aminosavak fenil-alanin tirozin triptofán hisztidin

Rövidítés Phe Tyr Trp His

Hidropátia [104] 2,8 -1,3 -0,9 -3,2

Hidrofil/Hidrofób hidrofób hidrofil hidrofil hidrofil

Higanypenetrációs vizsgálat elmélete:

A porozitás és pórusméret-eloszlás meghatározásának egyik módszere a higanypenetrációs módszer, amely a nem nedvesedı folyadékok kapillárisokban való viselkedésén alapul. Kör keresztmetszető, r sugarú kapillárisban a nem nedvesítı folyadékot kinyomni igyekvı erı:

Melléklet

96 F1 = −2π γ cosΘ

Ahol: F1

a kapilláris erı, N, mkg/s2

γ

a felületi feszültség, N/m, kg/s2

r

a kapilláris sugara, m

Θ

a nedvesedési szög

Ezzel szemben hat a külsı nyomásból eredı erı F2=π r2p Ahol: F2

a nyomó erı, N, mkg/s2

Egyensúlyban:

p

a külsı nyomás, Pa, N/m2, kg/m s2

F1 = F2 −2πr γ cosΘ =πr2 p

Ebbıl: r= − 2 γ cosΘ/p

Higanyt használva, a felületi feszültség 0,480 N/m2, a nedvesedési szög 141,3o, így az összefüggés: r= 7500/p

A készülék jellegébıl adódóan a nyomást túlnyomásban (att) lehet csak mérni, és ha a pórussugarat nm-ben akarjuk megkapni, akkor a közelítı összefüggés: r=7500/pt+1

Ahol: pt

a túlnyomás, att

A poroziméter 1 és 1000 att nyomáshatárok között dolgozik, így a 7,5 és a 7500 nm közötti pórusok térfogata és eloszlása határozható meg segítségével. Nitrogén adszorpció elmélete:

Legáltalánosabb az I. típusú izoterma, amelyre az a jellemzı, hogy kisnyomásokon az adszorbeált fajlagos gáztérfogat meredeken nı, majd a növekedés fokozatosan kisebbé válik, sıt egyes esetekben gyakorlatilag teljesen megszőnik. Kizárólag I. típusú izoterma fordul elı kemiszorpció esetén, valamint akkor, ha a hımérséklet az adszorptívum kritikus hımérséklete felett van. Ha az izoterma felvételénél a hımérséklet az adszorptívum kritikus hımérséklete

Melléklet

97

alatt van, gyakori még a II. és a IV. típusú is. Ezek kezdeti szakasza hasonló az I. típushoz, de még a határérték elérése elıtt inflexiós pont jelentkezik rajtuk, meredekségük megnı, a IV. típus a telítési nyomás elıtt ellapul, a II. nem. A III. és V. típusú izoterma ritkán fordul elı.

56. ábra: A fizikai adszorpció izotermáinak öt fıtípusa.

Az adszorpcióval ellentétes folyamat a deszorpció. Csökkentve a gáztér nyomását, megvárva az egyensúly beállását, felvehetı a deszorpciós izoterma. A termodinamikai egyensúly alapvetı kritériuma, hogy az így felvett görbe rajta fusson az adszorpciós izotermán. Sok esetben azonban az tapasztalható, hogy a nyomás csökkentésekor kezdetben az adszorbeált fajlagos gáztérfogat alig csökken, késıbb azonban az adszorpciós ágnál sokkal meredekebben változik, míg végül befutva az adszorpciós ágba, azzal együtt halad. A két ág különválását és újra egyesülését hiszterézisnek nevezik. A hiszterézishurok kialakulásából az következik, hogy az adszorpciós-deszorpciós egyensúly mellett még valamilyen más folyamat is jelentkezik, amely nem tud gátlásmentesen végbemenni. Meg kell jegyezni, hogy hiszterézis csak gızök adszorpciójakor jelentkezik, és csak olyan adszorbenseken, amelyek összefüggı pórusszerkezettel rendelkeznek. Rendkívül apró (10-4 és 10-7 cm), különálló szemcsés adszorbenseken hiszterézis nem lép fel. A hiszterézis tehát az adszorbens pórusszerkezetével, az abban lejátszódó folyamatokkal kapcsolatos. Az adszorpció kezdetekor a relatív nyomás növelésével a gázmolekulák a pórusok falán adszorbeálódnak, majd kialakul egy monomolekuláris réteg. Ha az adszorbens csak un. mikropórusokat tartalmaz, akkor ezek a monomolekuláris réteg kialakulásakor teljesen feltöltıdnek, a relatív nyomás további növelésekor adszorpció már nem következik be. Ilyen pórusszerkezető adszorbenseknél a

Melléklet

98

deszorpció során hiszterézis nem lép fel. Ha a mikropórusokhoz kapcsolódva nagyobb, un. mezopórusok is vannak az adszorbensben, akkor a relatív nyomás további növelésével, a plurimolekuláris réteg kialakulásával párhuzamosan, a pórusok legszőkebb részeiben megkezdıdik az adszorptívum kondenzációja (kapillárkondenzáció). Az egyensúlyi gıznyomás elérése elıtti kapilláris kondenzáció annak a következménye, hogy a szők pórusokban kialakuló folyadék felületének kicsi a görbületi sugara, és minél kisebb ez a sugár, annál kisebb az a gıznyomás, amely vele egyensúlyban van. A pórusokba hatolt gız mindaddig fog kondenzálódni, amig tenziója egyenlıvé nem válik a külsı tér gıznyomásával. Minél nagyobb a külsı tér gıznyomása, annál nagyobb mérető pórusok telnek meg kondenzátummal. A kapilláris kondenzáció bekövetkeztét az adszorpciós izoterma meredek emelkedése jelzi. Csökkentve a kondenzátummal telített pórusok feletti gıznyomást (deszorpció), a pórusokból kondenzátum fog elpárologni (kapillárpárolgás) mindaddig, amíg a folyadék tenziója egyenlıvé nem válik a külsı tér gıznyomásával. Mezopórusokat is tartalmazó adszorbensek esetén ilyenkor mindig fellép a hiszterézis jelensége. Fajlagos felület

A felület fogalma alatt egy szilárd és egy fluidum közötti határfelület értendı. Külsı és belsı felületet szokás megkülönböztetni. A külsı felület a szilárd anyag geometriai méretébıl adódik, a belsı a pórusok felületébıl. A belsı felület gyakran két-, három nagyságrenddel nagyobb, mint a külsı. A fajlagos felület a szilárd anyag egységnyi térfogatára vagy tömegére vonatkoztatott felület.

Melléklet

99

15. táblázat: Etilacetát/alkoholok elegyekben készített monolitok pórus tulajdonságainak jellemzésére szolgáló adatok. Etilac. koncentráció (%)/MetOH mellett 20 30 40

a

Vtotal13 1,6 1,6 1,5

Etilac. koncentráció (%)/EtOH mellett

Vtotal

20 30 40

1,6 1,5 1,5

Etilac. koncentráció (%)/PrOH mellett

Vtotal

20 25 30 40

1,6 1,6 1,5 1,6

Pórustérfogata, Átlagos cm3/g pórusátmérıa12, 14 15 16 VHg VBJH Vmikro nm 10-3 10-5 1,6 1,6 4 6451 1,6 1,5 4 6834 1,5 24 11 590 a Pórustérfogat , Átlagos cm3/g pórusátmérıa, VBJH Vmikro nm VHg 10-3 10-5 1,6 3,3 1 4938 1,5 1,9 1 5669 1,5 4,7 3 2719 Pórustérfogata, Átlagos cm3/g pórusátmérıa, VBJH Vmikro nm VHg 10-3 10-5 1,6 3,4 1 3519 1,6 2,2 4 4747 1,5 2,4 2 4321 1,6 3,5 2 3573

Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, b Gázadszorpcióval meghatározott értékek Átlagos pórusátmérı számítása: 4V/SBET értékek; 13 V total: 1,7 nm-tıl 15 µm tartományra a pórustérfogat. 14 VHg: 15 µm-tıl 10 nm átmérı tartományra meghatározott pórustérfogat. 15 VBJH:1,7-300 nm (BJH-elmélet érvényessége) tartományra becsült pórustérfogat. 16 V mikro: 2 nm-nél kisebb pórusok becsült pórustérfogata. 12

SBETb, m2/g 0,97 0,94 10,4 SBETb, m2/g 1,3 1 2,3 SBETb, m2/g 1,8 1,3 1,4 1,8

Melléklet

100

16. táblázat: Acetonitril/alkoholok elegyekben készített monolitok pórus tulajdonságainak jellemzésére szolgáló adatok. Pórustérfogata, Átlagos SBETb, cm3/g pórusátmérıa, m2/g VBJH Vmikro Vtotal VHg nm -3 -5 10 10 1,6 1,6 1,3 4 7193 0,9 1,5 1,5 1,26 189 31 Pórustérfogata, Ac.nit. Átlagos SBETb, cm3/g koncentráció pórusátmérıa, m2/g VBJH Vmikro (%)/EtOH mellett Vtotal VHg nm -3 -5 10 10 20 1,6 1,6 1,3 5 6403 1 30 0,7 0,87 280 52 56 40 0,04 0,087 38 27 7 Pórustérfogata, Ac.nit. Átlagos cm3/g SBETb, koncentráció pórusátmérıa, m2/g VBJH Vmikro (%)/PrOH mellett Vtotal VHg nm 10-3 10-5 15 1,5 1,5 3,4 18 4851 1,2 20 1,4 1,5 2 4630 1,2 30 0,6 0,7 350 41 59 40 0,09 0,2 90 26 15 a Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, b Gázadszorpcióval meghatározott értékek Ac.nit. koncentráció (%)/MetOH mellett 20 30

17. táblázat: Aceton/alkoholok elegyekben készített monolitok pórus tulajdonságainak jellemzésére szolgáló adatok. Pórustérfogata, Átlagos Ac. koncentráció cm3/g SBETb, pórusátmérıa, (%)/MetOH mellett Vtotal VHg VBJH Vmikro m2/g nm -3 -5 10 10 20 1,6 1,6 2 5276 1,2 30 1,6 1,7 2,3 4622 1,4 40 1,2 1,1 170 111 43 Pórustérfogata, Átlagos Ac. koncentráció cm3/g SBETb, pórusátmérıa, (%)/EtOH mellett m2/g VBJH Vmikro nm Vtotal VHg -3 -5 10 10 20 1,5 1,5 1,6 5890 1 25 1,4 1,4 1,7 5606 1 30 1,4 1,4 2 3 4049 1,4 40 1,3 1,3 160 119 43 Pórustérfogata, Átlagos Ac. koncentráció cm3/g SBETb, pórusátmérıa, (%)/PrOH mellett m2/g VBJH Vmikro nm Vtotal VHg -3 -5 10 10 20 1,5 1,5 2,1 2 4818 1,2 25 1,4 1,4 1,8 3 5115 1,1 30 1,3 1,3 52 29 295 17 40 1,4 1,3 120 74 163 33 a Higany-poroziméterrel meghatározott értékek, b Gázadszorpcióval meghatározott értékek

Pórusos polimer monolitok elıállítása sugárzásos polimerizációval

Recommend Documents